Visuale di due varianti del catalizzatore, con un segmento del guscio rimosso per mostrare l'interno. La sfera bianca rappresenta il guscio di silice, i fori sono i pori. Le sfere verde brillante rappresentano i siti catalitici, quelle a sinistra sono molto più piccole di quelle a destra. Le corde rosse più lunghe rappresentano le catene polimeriche e le corde più corte sono prodotti dopo la catalisi. Tutte le stringhe più corte hanno dimensioni simili, rappresentando la selettività costante tra le variazioni del catalizzatore. Inoltre, ci sono catene più piccole prodotte dai siti catalizzatori più piccoli perché la reazione avviene più rapidamente. Credito:Laboratorio Ames
Un catalizzatore sviluppato di recente per la demolizione della plastica continua a far avanzare i processi di riciclo della plastica. Nel 2020, un team di ricercatori guidato dagli scienziati dell'Ames Laboratory ha sviluppato il primo catalizzatore inorganico di processo per decostruire la plastica poliolefinica in molecole che possono essere utilizzate per creare prodotti più preziosi. Ora, il team ha sviluppato e convalidato una strategia per accelerare la trasformazione senza sacrificare i prodotti desiderabili.
Il catalizzatore è stato originariamente progettato da Wenyu Huang, uno scienziato dell'Ames Lab. È costituito da particelle di platino supportate da un nucleo di silice solida e circondate da un guscio di silice con pori uniformi che forniscono l'accesso ai siti catalitici. La quantità complessiva di platino necessaria è piuttosto piccola, il che è importante a causa del costo elevato del platino e della fornitura limitata. Durante gli esperimenti di decostruzione, le lunghe catene polimeriche si infilano nei pori e entrano in contatto con i siti catalitici, quindi le catene vengono spezzate in pezzi di dimensioni più piccole che non sono più materiale plastico (vedi immagine per maggiori dettagli).
Aaron Sadow, uno scienziato dell'Ames Lab e direttore dell'Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), ha spiegato che il team ha realizzato tre varianti del catalizzatore. Ogni variazione aveva nuclei di dimensioni identiche e gusci porosi, ma diametri differenti delle particelle di platino, da 1,7 a 2,9 a 5,0 nm.
Il team ha ipotizzato che le differenze nella dimensione delle particelle di platino avrebbero influenzato le lunghezze delle catene di prodotti, quindi le particelle di platino grandi formerebbero catene più lunghe e quelle piccole formerebbero catene più corte. Tuttavia, il gruppo ha scoperto che le lunghezze delle catene di prodotti avevano le stesse dimensioni per tutti e tre i catalizzatori.
"In letteratura, la selettività per le reazioni di scissione del legame carbonio-carbonio di solito varia con la dimensione delle nanoparticelle di platino. Posizionando il platino nella parte inferiore dei pori, abbiamo visto qualcosa di davvero unico", ha affermato Sadow.
Invece, la velocità con cui le catene sono state spezzate in molecole più piccole era diversa per i tre catalizzatori. Le particelle di platino più grandi hanno reagito con la lunga catena polimerica più lentamente mentre quelle più piccole hanno reagito più rapidamente. Questo aumento del tasso potrebbe derivare dalla maggiore percentuale di siti di platino ai bordi e agli angoli sulle superfici delle nanoparticelle più piccole. Questi siti sono più attivi nella scissione della catena polimerica rispetto al platino che si trova sulle facce delle particelle.
Secondo Sadow, i risultati sono importanti perché mostrano che l'attività può essere regolata indipendentemente dalla selettività in queste reazioni. "Ora siamo fiduciosi di poter realizzare un catalizzatore più attivo che mastichi il polimero ancora più velocemente, utilizzando i parametri strutturali del catalizzatore per definire lunghezze specifiche della catena di prodotti", ha affermato.
Huang ha spiegato che questo tipo di reattività di molecole più grandi nei catalizzatori porosi in generale non è ampiamente studiato. Quindi, la ricerca è importante per comprendere la scienza fondamentale e come si comporta per l'upcycling della plastica.
"Abbiamo davvero bisogno di comprendere ulteriormente il sistema perché stiamo ancora imparando cose nuove ogni giorno. Stiamo esplorando altri parametri che possiamo mettere a punto per aumentare ulteriormente la velocità di produzione e spostare la distribuzione del prodotto", ha affermato Huang. "Quindi ci sono molte cose nuove nella nostra lista che aspettano di essere scoperte."
Questa ricerca è ulteriormente discussa nel documento "Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins", pubblicato nel Journal of the American Chemical Society . + Esplora ulteriormente
