Группа ученых из Эймсской национальной лаборатории нашла способ превратить одноразовые пластиковые пакеты, моторные масла и различные другие нефтепродукты в экологически чистые и качественные продукты. В своем последнем исследовании ученые утверждают, что, используя алюминиевый реагент и катализатор на основе оксида циркония, они могут изменить химическую структуру полиолефиновых пластиков, которые в основном представляют собой углеводороды, содержащие длинные и неразрывные цепи атомов углерода.
По словам исследователей, около 50 процентов всех пластиковых изделий, производимых на Земле, составляют полиолефиновые пластмассы. Их можно найти в продуктах, начиная от моющих средств и заканчивая электроникой и даже масками N95. Вот почему полиолефины также являются одной из основных причин возникновения пластиковых отходов на нашей планете. Предлагаемый катализатор предлагает дешевый и эффективный способ разрушения полиолефиновых пластиков.
Этот катализатор на основе циркония может творить чудеса
Полиолефины не могут быть легко разложены, потому что эти углеводороды (называемые алифатическими составными соединениями) не имеют дополнительных атомов в своей химической структуре, чтобы облегчить добавление дополнительных элементов, которые могли бы вызвать их распад. Так, например, если вы сегодня закопаете пластиковую бутылку на заднем дворе, она не разложится даже в ближайшие 100 лет, потому что в длинных углеродных цепочках, из которых состоит бутылка, не будет дополнительных элементов, способных реагировать с выделяемыми химическими веществами. почвенными бактериями. Таким образом, в химических связях, скрепляющих бутылку, не произойдет никаких изменений, и, следовательно, бутылка не разложится.
Однако существует процесс, называемый гидрогенолизом, с помощью которого полиолефины могут быть переработаны, если они не полностью разложены. Этот метод включает использование катализатора для разрыва углерод-углеродных связей и введения атомов водорода. Авторы исследования предполагают, что до сих пор ученые использовали редкие и дорогие металлы, такие как платина, в качестве катализатора для этого процесса, что делало его дорогостоящим и не масштабируемым подходом.
Схема, изображающая систему диоксид циркония-катализатор. Авторы изображений: Чен С., Теннакун А., Ю К.Е. и др., 2023/Природный катализатор.
«Мы продемонстрировали, что сверхмалые аморфные локализованные наночастицы диоксида циркония (L-ZrO2), ковалентно внедренные в кремнезем и зажатые в пустоте между двумя мезопористыми пластинками (L-ZrO2@mSiO2), проявляют высокую активность в гидрогенолизе полиэтилена. Архитектура (каталитическая система) повышает каталитическую активность диоксида циркония, чтобы она стала сравнимой с активностью Pt/C, и улучшает его селективность по отношению к жидким продуктам», — отмечают исследователи.
Эти результаты воодушевляют авторов, потому что они показывают, как перерабатывать пластик доступным, масштабируемым и устойчивым способом. Они думают, что, используя эту технику, они смогут превратить пластиковый мусор в полезные экологически чистые товары. Более того, способность изменять структуру углеводородов также позволит им создавать более качественные, прочные и долговечные полиолефиновые продукты. Благодаря дальнейшим исследованиям они ожидают, что смогут использовать катализатор для изменения полимеров способами, которые никогда раньше не были возможны.
Гораздо лучше, чем любой другой метод
Цирконий впервые был использован для целей гидрогенолиза еще в 1990-х годах. В то время группа исследователей предложила использовать гидриды циркония для разрушения полимеров. Однако этот старый подход небезопасен, поскольку гидриды диоксида циркония очень чувствительны и воспламеняются при контакте с воздухом и водой. Так, например, если вы хотите разрушить пластиковую бутылку с помощью гидрида циркония, вам сначала нужно убедиться, что в бутылке нет ни единой капли воды или влажного воздуха. Кроме того, среда, в которой вы проводите гидрогенолиз бутылки, также не должна содержать никаких примесей.
Аарон Садо, который является одним из авторов исследования и в настоящее время является директором Института совместной переработки пластмасс (iCOUP) в Эймсе, сказал:
«Использование гидридов циркония для гидрогенолиза — это действительно хорошая химия. Проблема в том, что циркониевые металлоорганические соединения действительно чувствительны к воздуху и воде. Поэтому с ними нужно обращаться в самых чистых условиях. Обычно полимерные отходы не являются чистыми и не поставляются в виде чистого и совершенно сухого исходного материала. При использовании катализатора на основе гидрида циркония вам действительно придется беспокоиться о примесях, которые препятствуют химическому процессу».
Поскольку большинство выброшенных пластиковых предметов находятся в отходах, они заполнены примесями, и поэтому старый подход не мог быть принят в больших масштабах. Другие традиционные методы, широко применяемые сегодня, либо очень энергозатратны, либо, как упоминалось ранее, требуют дорогостоящих металлов. Текущий подход, с другой стороны, не имеет таких ограничений. Катализатор на основе оксида циркония, предложенный группой Эймса, не реагирует с водой или воздухом, на него не влияет присутствие каких-либо примесей, а в каталитической системе используются недорогие и широко распространенные металлы.
Исследователи теперь будут использовать свою каталитическую систему для проведения серии тестов, связанных с добавлением различных типов функциональных групп к полимерам. Все эти тесты будут посвящены изучению различных способов вторичной переработки пластика .
Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.
