Imagen de dos variaciones del catalizador, con un segmento de la carcasa retirado para mostrar el interior. La esfera blanca representa la capa de sílice, los agujeros son los poros. Las esferas de color verde brillante representan los sitios catalíticos, las de la izquierda son mucho más pequeñas que las de la derecha. Las cadenas rojas más largas representan las cadenas de polímeros y las cadenas más cortas son productos después de la catálisis. Todas las cadenas más cortas tienen un tamaño similar, lo que representa la selectividad constante en todas las variaciones del catalizador. Además, hay cadenas más pequeñas producidas por los sitios de catalizador más pequeños porque la reacción ocurre más rápidamente. Crédito:Laboratorio Ames
Un catalizador desarrollado recientemente para descomponer plásticos continúa avanzando en los procesos de reciclaje de plástico. En 2020, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Ames desarrolló el primer catalizador inorgánico procesable para deconstruir plásticos de poliolefina en moléculas que pueden usarse para crear productos más valiosos. Ahora, el equipo ha desarrollado y validado una estrategia para acelerar la transformación sin sacrificar productos deseables.
El catalizador fue diseñado originalmente por Wenyu Huang, un científico de Ames Lab. Consiste en partículas de platino soportadas sobre un núcleo de sílice sólido y rodeadas por una capa de sílice con poros uniformes que brindan acceso a los sitios catalíticos. La cantidad total de platino que se necesita es bastante pequeña, lo cual es importante debido al alto costo del platino y al suministro limitado. Durante los experimentos de deconstrucción, las largas cadenas de polímero se enroscan en los poros y entran en contacto con los sitios catalíticos, y luego las cadenas se rompen en piezas de menor tamaño que ya no son material plástico (consulte la imagen para obtener más detalles).
Aaron Sadow, científico de Ames Lab y director del Instituto para el reciclaje cooperativo de plásticos (iCOUP), explicó que el equipo elaboró tres variaciones del catalizador. Cada variación tenía núcleos y cubiertas porosas del mismo tamaño, pero diferentes diámetros de partículas de platino, de 1,7 a 2,9 a 5,0 nm.
El equipo planteó la hipótesis de que las diferencias en el tamaño de las partículas de platino afectarían la longitud de las cadenas de productos, por lo que las partículas de platino grandes harían cadenas más largas y las pequeñas harían cadenas más cortas. Sin embargo, el grupo descubrió que las longitudes de las cadenas de productos eran del mismo tamaño para los tres catalizadores.
"En la literatura, la selectividad para las reacciones de escisión de enlaces carbono-carbono generalmente varía con el tamaño de las nanopartículas de platino. Al colocar platino en el fondo de los poros, vimos algo bastante único", dijo Sadow.
En cambio, la velocidad a la que las cadenas se rompieron en moléculas más pequeñas fue diferente para los tres catalizadores. Las partículas de platino más grandes reaccionaron más lentamente con la larga cadena de polímeros, mientras que las más pequeñas reaccionaron más rápidamente. Esta mayor tasa podría deberse al mayor porcentaje de sitios de platino en los bordes y las esquinas de las superficies de las nanopartículas más pequeñas. Estos sitios son más activos en la división de la cadena polimérica que el platino ubicado en las caras de las partículas.
Según Sadow, los resultados son importantes porque muestran que la actividad se puede ajustar independientemente de la selectividad en estas reacciones. "Ahora, estamos seguros de que podemos hacer un catalizador más activo que masticaría el polímero aún más rápido, mientras usamos los parámetros estructurales del catalizador para marcar longitudes específicas de la cadena del producto", dijo.
Huang explicó que este tipo de reactividad de moléculas más grandes en catalizadores porosos en general no se estudia ampliamente. Por lo tanto, la investigación es importante para comprender la ciencia fundamental, así como su desempeño para reciclar plásticos.
"Realmente necesitamos comprender mejor el sistema porque todavía estamos aprendiendo cosas nuevas todos los días. Estamos explorando otros parámetros que podemos ajustar para aumentar aún más la tasa de producción y cambiar la distribución del producto", dijo Huang. "Así que hay muchas cosas nuevas en nuestra lista esperando que las descubramos".
Esta investigación se analiza con más detalle en el artículo "Nanopartículas de tamaño controlado incrustadas en una arquitectura mesoporosa que conducen a una hidrogenólisis eficiente y selectiva de poliolefinas", publicado en el Journal of the American Chemical Society. . Un catalizador único en su tipo imita los procesos naturales para descomponer el plástico y producir nuevos productos valiosos
