Newswise – نوع جدید کاتالیزور پلاستیک های پلی الفین را به محصولات جدید و مفید تجزیه می کند. این پروژه بخشی از یک استراتژی جدید برای کاهش میزان ضایعات پلاستیکی و تأثیر آن بر محیط زیست و بازیابی ارزشی است که هنگام دور ریختن پلاستیک ها از دست می رود. کاتالیزور توسط یک تیم توسعه داده شد موسسه پردازش پلاستیک تعاونی (iCOUP)، وزارت انرژی ایالات متحده، مرکز تحقیقات مرزی انرژی. این تلاش توسط آرون سادو، مدیر iCOUP، دانشمند آزمایشگاه ملی ایمز و استاد دانشگاه ایالتی آیووا رهبری شد. آندریاس هایدن، استاد دانشگاه کارولینای جنوبی؛ و ونیو هوانگ، دانشمند آزمایشگاه ایمز و استاد در ایالت آیووا. کاتالیزور جدید فقط از مواد فراوانی در زمین ساخته شده است که آنها نشان دادند می توانند پیوندهای کربن-کربن (CC) در هیدروکربن های آلیفاتیک را بشکنند.
هیدروکربن های آلیفاتیک ترکیبات آلی هستند که فقط از هیدروژن و کربن تشکیل شده اند. پلاستیک های پلی الفین مواد هیدروکربنی آلیفاتیک هستند که از زنجیره های بلندی از اتم های کربن به هم متصل شده اند تا مواد قوی را تشکیل دهند. این مواد بخش بزرگی از بحران زباله های پلاستیکی هستند. Wenyu Huang گفت: “بیش از نیمی از پلاستیک های تولید شده تاکنون بر پایه پلی اولفین ها هستند.”
پلاستیک های پلی الفین در همه جا در دنیای مدرن استفاده می شود، از جمله در بسته بندی بسته بندی و سایر محصولات بسته بندی، ظروف مایعات مانند مواد شوینده یا شیر، الیاف در لباس های ضد آب، نخ دندان و لوازم الکترونیکی. با این حال، همانطور که آندریاس هایدن توضیح داد، پلی الفین ها یکی از سخت ترین پلاستیک ها برای بازیافت هستند و رویکردهای جدیدی مورد نیاز است. یکی از این جایگزین های امیدوارکننده برای بازیافت به عنوان upcycling شناخته می شود. این رویکرد شامل تبدیل شیمیایی مواد به محصولات با ارزش بالاتر است.
یکی از راه های پردازش پلی اولفین ها از طریق فرآیند شیمیایی به نام هیدروژنولیز است. در طی این فرآیند، کاتالیزور با بریدن پیوندهای C-C و افزودن هیدروژن، زنجیره‌ای از مولکول‌ها را شکافت. به گفته آرون سادو، کاتالیزورهایی که برای هیدروژنولیز استفاده می شوند، معمولاً بر پایه فلزات نجیب مانند پلاتین هستند. پلاتین به دلیل فراوانی کم در پوسته زمین گران است و به دلیل کارایی آن در بسیاری از انواع تبدیلات کاتالیزوری استفاده می شود.
هیدن برای پرداختن به چالش‌های پایداری و اقتصاد گفت: «ما فکر می‌کردیم که بتوانیم از عناصر فراوان زمین برای ایجاد مواد کاتالیزوری بسیار ارزان‌تر استفاده کنیم و با مونتاژ این عناصر به روشی خاص می‌توانیم به گزینش پذیری بالا و همچنان بسیار خوب دست یابیم. فعالیت.”
این تیم دریافت که زیرکونیوم، یک اکسید فلزی فراوان در زمین، می‌تواند پیوندهای C-C را در پلیمرهای هیدروکربنی آلیفاتیک با سرعتی برابر با کاتالیزورهای فلزات نجیب بشکند. ما شگفت زده شدیم که می توانیم هیدروژنولیز پیوندهای C-C را با استفاده از اکسید زیرکونیوم به عنوان کاتالیزور انجام دهیم. پارادایم مرسوم این است که زیرکونیوم به خودی خود بسیار واکنش پذیر نیست.
رمز موفقیت آن ساختار کاتالیست است که توسط Wenyu Huang و گروهش طراحی شده است. در این معماری، نانوذرات زیرکونیوم بسیار کوچک بین دو ورقه سیلیس مزوپور قرار می‌گیرند. هوانگ گفت: دو صفحه دی اکسید سیلیکون با زیرکونیایی که در وسط جاسازی شده است، مانند یک ساندویچ ذوب شده اند. منافذ موجود در سیلیس دسترسی به زیرکونیا را فراهم می‌کنند، در حالی که ساختار ساندویچ مانند از تف جوشی یا کریستالی شدن نانوذرات زیرکونیا جلوگیری می‌کند که باعث می‌شود کارایی آنها کمتر شود.
تیم هیدن مسئول مدل‌سازی واکنش و درک مکان و نحوه عملکرد سایت فعال در شرایط واکنش بود. او توضیح داد: «و بنابراین برای آن، ما هم مدل‌سازی شیمیایی کوانتومی کاتالیزور و هم واکنش‌های شیمیایی را همراه با مدل‌سازی کلاسیک راکتورهای شیمیایی انجام می‌دهیم. و اینجاست که ما واقعا اهمیت این ساختار بی شکل زیرکونیایی را دیدیم.
به گفته Sadow، ایده مطالعه زیرکونیوم در هیدروژنولیز بر اساس مطالعات پیشگامانه قبلی دپلیمریزاسیون پلیمر با استفاده از هیدریدهای زیرکونیوم بود که در اواخر دهه 1990 مورد مطالعه قرار گرفت. او گفت: «استفاده از هیدریدهای زیرکونیوم برای هیدروژنولیز واقعاً شیمی خوبی است. مشکل اینجاست که این گونه‌های آلی فلزی زیرکونیومی واقعاً به هوا و آب حساس هستند. بنابراین آنها باید تحت تمیزترین شرایط پردازش شوند. به طور معمول، زباله های پلیمری تمیز نیستند و به عنوان یک ماده اولیه تمیز و کاملا خشک عرضه نمی شوند. با استفاده از یک کاتالیزور هیدرید زیرکونیوم، واقعاً باید نگران ناخالصی هایی باشید که مانع شیمی می شوند.
مواد جدید زیرکونیایی که توسط این تیم تولید شده است به سادگی در خلاء قبل از واکنش گرم می شود و در طول فرآیند هیدروژنولیز فعال باقی می ماند. زیرکونیا به راحتی در هوا پردازش می شود و سپس فعال می شود. سادو گفت که این کار به هیچ شرایط واقعا تخصصی نیاز ندارد، که این نیز هیجان انگیز بود. توانایی گرفتن یک اکسید فلزی در معرض هوا، گرم کردن آن با یک آلکان و تولید یک فلز ارگانیک واکنشی واقعا قدرتمند است که این نوع فرآیند هیدروژنولیز را ممکن می کند. این به طور بالقوه می تواند بسیاری از دگرگونی های کاتالیزوری جالب هیدروکربن ها را که قبلاً در نظر گرفته نشده بودند، فعال کند.
این تحقیق بیشتر در مقاله «نانوذرات زیرکونیای آمورف، هیدروژنولیز پلی الفین را کاتالیز می کنند.نوشته شده توسط Shaojiang Chen، Akalanka Tennakoon، Kyung-Eun You، Alexander L. Paterson، Ryan Yappert، Selim Alayoglu، Lingzhe Fang، Xun Wu، Tommy Yunpu Zhao، Michelle P. Lapak، Mukunth Saravanan، Ryan A. Hackler، Yi. -یو وانگ، لانگ چی، ماسیمیلیانو دلفرو، تائو لی، بیونگدو لی، بارون پیترز، کنت آر. پوپلمایر، سالای سی. آمل، کلیفورد آر. باورز، فردریک آ. پراس، آندریاس هیدن، آرون دی. سادو و ونیو هوانگ و منتشر شده در کاتالیزور طبیعی.
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.