JACS: новый катализатор облегчает переработку и биоразложение одноразовых пластмасс

Исследователи создали новый катализатор, который превращает углеводороды в химикаты и материалы, которые имеют более высокую ценность, легче перерабатываются и разлагаются в окружающей среде. Этот катализатор преобразует такие материалы, как моторное масло, пластмассы в одноразовых пакетах для продуктов, бутылки для воды или молока и их крышки, и даже природный газ. Он был разработан группой ученых во главе с Аароном Садоу, ученым из Национальной лаборатории Эймса, директором Института совместной переработки пластмасс (iCOUP) и профессором химии в Университете штата Айова.

Новый катализатор предназначен для введения функциональных групп в алифатические углеводороды. Алифатические углеводороды — это органические соединения, состоящие только из водорода и углерода. Они обычно не смешиваются с водой, вместо этого образуя отдельные слои, отчасти потому, что не содержат функциональных групп. Функциональные группы — это специфические группировки атомов в молекулах, которые обладают уникальными характеристиками. Добавление функциональных групп к этим углеродным цепочкам может существенно повлиять на их свойства и сделать материалы пригодными для вторичной переработки.

«Метан в природном газе — это простейший из углеводородов, в котором нет ничего, кроме углерод-водородных (CH) связей. Масла и полимеры содержат цепочки атомов углерода, соединенных углерод-углеродными (СС) связями «, — пояснил Садоу.

Алифатические углеводороды составляют большую часть нефти и продуктов переработки нефти, таких как пластмассы и моторные масла. Эти материалы «не имеют других функциональных групп. Это означает, что их нелегко биоразлагать. Таким образом, целью в области катализа уже давно является получение возможности использовать такие материалы и добавлять другие атомы, такие как кислород, или создавать новые структуры из этих простых химических веществ.

К сожалению, традиционный способ добавления атомов в углеводородные цепочки требует значительных затрат энергии. Сначала нефть «расщепляется» под воздействием тепла и давления на небольшие строительные блоки. Затем эти строительные блоки используются для выращивания цепей. Наконец, нужные атомы добавляются в конце цепей. При этом в новом подходе существующие алифатические углеводороды преобразуются непосредственно без крекинга и при низкой температуре.

Команда Садоу ранее использовала катализатор для разрыва связей CC в этих углеводородных цепях и одновременно прикрепляла алюминий к концам меньших цепей. Затем они ввели кислород или другие атомы для введения функциональных групп. Чтобы разработать дополнительный процесс, ученые нашли способ избежать стадии разрыва связи CC.

«В зависимости от длины цепи исходного материала и желаемых свойств продукта мы можем захотеть укоротить цепи или просто добавить кислородную функциональную группу. Если бы мы могли избежать расщепления CC, мы могли бы, в принципе, просто перенести цепи с катализатора на алюминий, а затем добавить воздух для установки функциональной группы», — рассказывают специалисты.

Они объясняют, что катализатор синтезируется путем присоединения коммерчески доступного соединения циркония к коммерчески доступному кремнезему-глинозему. Все эти вещества богаты природными веществами и недороги, что выгодно для потенциальных будущих коммерческих применений.

Кроме того, катализатор и реагент выгодны с точки зрения экологичности и стоимости. Алюминий — самый распространенный металл на земле, и используемый алюминиевый реагент синтезируется без образования побочных продуктов. Предшественник катализатора на основе алкоксида циркония устойчив к воздействию воздуха, легко доступен и активируется в реакторе.

«Таким образом, в отличие от многих ранних металлоорганических химикатов, которые чрезвычайно чувствительны к воздуху, с этим предшественником катализатора легко обращаться», — сказал Садоу.

Этот химический состав является шагом к возможности влиять на физические свойства различных пластмасс, например, делая их более прочными и легко окрашиваемыми.

«По мере развития катализа мы ожидаем, что сможем включать все больше и больше функциональных групп, влияющих на физические свойства полимеров», — отмечают исследователи.

Работа опубликована в журнале Американского химического общества (JACS).

Эксклюзивный перевод*

Фото: Журнал Американского химического общества (2023)

Поделиться:

Подписывайтесь на краткие, но содержательные новости со всего мира
глазами молодого поколения в Телеграм и ВКонтакте.

Почитайте также

Имплантируемые батареи, потребляющие кислород, помогают убить рак

482 Несмотря на десятилетия исследований и десятки миллиардов долларов, потраченных на исследования и лечение во …