Newswise – محققان یک روش جدید ایجاد کرده اند کاتالیزور که هیدروکربن ها را به مواد شیمیایی و موادی با ارزش بالاتر تبدیل می کند که بازیافت آنها آسان تر است و در محیط زیست تخریب پذیر است. این کاتالیزور موادی مانند روغن موتور، پلاستیک ها را به کیسه های مواد غذایی یکبار مصرف، بطری های آب یا شیر و درب آن ها و حتی گاز طبیعی تبدیل می کند. این توسط تیمی از دانشمندان به رهبری آرون سادو، دانشمند آزمایشگاه ملی ایمز، مدیر مؤسسه پردازش مشارکتی پلاستیک (iCOUP) و استاد شیمی در دانشگاه ایالتی آیووا، توسعه یافته است.
کاتالیزور جدید برای معرفی گروه های عاملی به هیدروکربن های آلیفاتیک طراحی شده است. هیدروکربن های آلیفاتیک ترکیبات آلی هستند که فقط از هیدروژن و کربن تشکیل شده اند. آنها معمولاً با آب مخلوط نمی شوند، در عوض لایه های مشخصی را تشکیل می دهند، تا حدی به این دلیل که حاوی گروه های عملکردی نیستند. گروه های عاملی گروه های خاصی از اتم ها در مولکول ها هستند که ویژگی های منحصر به فردی دارند. افزودن گروه های عاملی به این زنجیره های هیدروکربنی می تواند به طور چشمگیری بر خواص آنها تأثیر بگذارد و مواد را قابل بازیافت کند.
متان موجود در گاز طبیعی ساده ترین هیدروکربن است که چیزی جز پیوندهای کربن-هیدروژن (CH) ندارد. سادو توضیح داد که روغن‌ها و پلیمرها دارای زنجیره‌ای از اتم‌های کربن هستند که توسط پیوندهای کربن-کربن (CC) به هم متصل شده‌اند.
هیدروکربن های آلیفاتیک بیشتر نفت و فرآورده های نفتی تصفیه شده مانند پلاستیک و روغن موتور را تشکیل می دهند. سادو گفت: این مواد “گروه های عملکردی دیگری ندارند، به این معنی که به راحتی قابل تجزیه زیستی نیستند.” بنابراین، مدت‌ها هدف در زمینه کاتالیزور بوده است که بتوانیم این نوع مواد را بگیریم و اتم‌های دیگری مانند اکسیژن را اضافه کنیم یا ساختارهای جدیدی از این مواد شیمیایی ساده بسازیم.»
متأسفانه، روش مرسوم افزودن اتم به زنجیره های هیدروکربنی به ورودی انرژی قابل توجهی نیاز دارد. اولین روغن با گرما و فشار به بلوک های ساختمانی کوچک “شکسته” می شود. سپس از این بلوک های ساختمانی برای رشد زنجیر استفاده می شود. در نهایت اتم های مورد نظر به انتهای زنجیره ها اضافه می شوند. در این رویکرد جدید، هیدروکربن های آلیفاتیک موجود مستقیماً بدون ترک خوردگی و در دمای پایین تبدیل می شوند.
تیم Sadow قبلا از یک کاتالیزور برای شکستن پیوندهای C-C در این زنجیره های هیدروکربنی استفاده کرده بود و به طور همزمان آلومینیوم را به انتهای زنجیره های کوچکتر متصل کرده بود. سپس اکسیژن یا اتم های دیگر را برای معرفی گروه های عاملی وارد کردند. برای توسعه یک فرآیند اضافی، تیم راهی برای جلوگیری از مرحله قطع اتصال CC پیدا کرد. سادو گفت: بسته به طول زنجیره ماده اولیه و خواص مطلوب محصول، ممکن است بخواهیم زنجیره ها را کوتاه کنیم یا به سادگی گروه عملکردی اکسیژن را اضافه کنیم. اگر بتوانیم از شکاف CC جلوگیری کنیم، اساساً می‌توانیم زنجیره‌ها را از کاتالیزور به آلومینیوم منتقل کنیم و سپس هوا را برای نصب گروه عملکردی اضافه کنیم.»
Sadow توضیح داد که کاتالیزور با اتصال یک ترکیب زیرکونیوم تجاری موجود به سیلیکا-آلومینای تجاری موجود سنتز شد. همه مواد روی زمین فراوان و ارزان هستند و برای کاربردهای تجاری بالقوه آینده مفید هستند.
علاوه بر این، کاتالیزور و واکنش دهنده از نظر پایداری و هزینه مفید هستند. آلومینیوم فراوان ترین فلز روی زمین است و معرف آلومینیومی مورد استفاده بدون ایجاد ضایعات فرعی سنتز می شود. پیش ساز کاتالیزور مبتنی بر آلکوکسید زیرکونیوم در هوا پایدار است، به راحتی در دسترس است و در راکتور فعال می شود. سادو گفت: «بنابراین برخلاف بسیاری از شیمی آلی فلزی اولیه، که به شدت به هوا حساس هستند، کار با این پیش ساز کاتالیزور آسان است.
این شیمی گامی به سوی توانایی تأثیرگذاری بر خواص فیزیکی پلاستیک‌های مختلف است، مانند قوی‌تر کردن و رنگ‌آمیزی آنها. سادو گفت: «همانطور که ما کاتالیزور را بیشتر توسعه می‌دهیم، انتظار داریم که بتوانیم گروه‌های عاملی بیشتری را برای تأثیرگذاری بر خواص فیزیکی پلیمرها ترکیب کنیم.
Sadow موفقیت این پروژه را به ماهیت مشارکتی iCOUP نسبت می دهد. گروه پراس در آزمایشگاه ملی ایمز ساختارهای کاتالیزوری را با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) طیف سنجی گروه‌های Coates، LaPointe و Delferro در دانشگاه کرنل و آزمایشگاه ملی آرگون ساختار و خواص فیزیکی پلیمر را بررسی کردند. و گروه پیترز در دانشگاه ایلینویز به صورت آماری عامل‌سازی پلیمر را مدل‌سازی کردند. سادو گفت: “موفقیت های این پروژه در مرکز مبتنی بر کمک های تخصصی بسیاری از گروه ها است.” “این کار مزایای علم تیمی را برجسته می کند.”
این تحقیق بیشتر در مقاله «آلومیناسیون C-H کاتالیز شده با زیرکونیوم پلی الفین ها، پارافین ها و متاننوشته شده توسط Uddhav Kanbur, Alexander L. Paterson, Jessica Rodriguez, Andrew L. Kocen, Ryan Yappert, Ryan A. Hackler, Yi-Yu Wang, Baron Peters, Massimiliano Delferro, Anne M. LaPointe, Geoffrey W. Coates, Frédéric A. Perras and Aaron D. Sadow و منتشر شده در JACS: مجله انجمن شیمی آمریکا. این اثر همچنین در JACS Spotlight، “یک ابزار جدید انعطاف پذیر برای تولید مواد شیمیایی رایج“
این تحقیق توسط موسسه پردازش تعاونی پلاستیک (iCOUP) به رهبری آزمایشگاه ملی ایمز انجام شد. iCOUP است مرکز تحقیقات مرز انرژی متشکل از دانشمندان آزمایشگاه ملی ایمز، آزمایشگاه ملی آرگون، UC سانتا باربارا، دانشگاه کارولینای جنوبی، دانشگاه کرنل، دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه ایلینوی اوربانا-شامپین.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.