Bild av två varianter av katalysatorn, med ett segment av skalet borttaget för att visa interiören. Den vita sfären representerar kiseldioxidskalet, hålen är porerna. De ljusgröna sfärerna representerar de katalytiska platserna, de till vänster är mycket mindre än de till höger. De längre röda strängarna representerar polymerkedjorna, och de kortare strängarna är produkter efter katalys. Alla kortare strängar är lika i storlek, vilket representerar den konsekventa selektiviteten över katalysatorvariationer. Dessutom finns det fler mindre kedjor som produceras av de mindre katalysatorställena eftersom reaktionen sker snabbare. Kredit:Ames Laboratory
En nyligen utvecklad katalysator för att bryta ner plast fortsätter att främja plaståtervinningsprocesser. År 2020 utvecklade ett team av forskare under ledning av Ames Laboratory-forskare den första processiva oorganiska katalysatorn för att dekonstruera polyolefinplaster till molekyler som kan användas för att skapa mer värdefulla produkter. Nu har teamet utvecklat och validerat en strategi för att påskynda transformationen utan att offra önskvärda produkter.
Katalysatorn designades ursprungligen av Wenyu Huang, en forskare vid Ames Lab. Den består av platinapartiklar stödda på en solid kiseldioxidkärna och omgiven av ett kiseldioxidskal med enhetliga porer som ger tillgång till katalytiska platser. Den totala mängden platina som behövs är ganska liten, vilket är viktigt på grund av platinas höga kostnad och begränsade utbud. Under dekonstruktionsexperiment tränger de långa polymerkedjorna in i porerna och kommer i kontakt med de katalytiska ställena, och sedan bryts kedjorna i mindre bitar som inte längre är plastmaterial (se bilden för mer information).
Aaron Sadow, en forskare vid Ames Lab och chef för Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), förklarade att teamet skapade tre varianter av katalysatorn. Varje variant hade lika stora kärnor och porösa skal, men olika diametrar av platinapartiklar, från 1,7 till 2,9 till 5,0 nm.
Teamet antog att skillnaderna i platinapartikelstorlek skulle påverka produktkedjornas längder, så stora platinapartiklar skulle göra längre kedjor och små skulle göra kortare kedjor. Men gruppen upptäckte att längden på produktkedjorna var lika stora för alla tre katalysatorerna.
"I litteraturen varierar selektiviteten för klyvningsreaktioner av kol-kolbindningar vanligtvis med storleken på platinananopartiklarna. Genom att placera platina i botten av porerna såg vi något ganska unikt", sa Sadow.
Istället var hastigheten med vilken kedjorna bröts i mindre molekyler olika för de tre katalysatorerna. De större platinapartiklarna reagerade långsammare med den långa polymerkedjan medan de mindre reagerade snabbare. Denna ökade hastighet kan bero på den högre andelen kant- och hörnplatinaplatser på ytorna av de mindre nanopartiklarna. Dessa platser är mer aktiva när det gäller att klyva polymerkedjan än platina som finns i partiklarnas ytor.
Enligt Sadow är resultaten viktiga eftersom de visar att aktiviteten kan justeras oberoende av selektiviteten i dessa reaktioner. "Nu är vi övertygade om att vi kan göra en mer aktiv katalysator som skulle tugga upp polymeren ännu snabbare, samtidigt som vi använder katalysatorns strukturella parametrar för att ange specifika produktkedjelängder," sa han.
Huang förklarade att denna typ av större molekylreaktivitet i porösa katalysatorer i allmänhet inte studeras allmänt. Så forskningen är viktig för att förstå den grundläggande vetenskapen och hur den fungerar för återanvändning av plast.
"Vi behöver verkligen förstå systemet ytterligare eftersom vi fortfarande lär oss nya saker varje dag. Vi utforskar andra parametrar som vi kan ställa in för att ytterligare öka produktionstakten och förändra produktdistributionen", säger Huang. "Så det finns många nya saker på vår lista som väntar på att vi ska upptäcka."
Denna forskning diskuteras vidare i artikeln "Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins", publicerad i Journal of the American Chemical Society . + Utforska vidare
