一种独特的催化剂有助于塑料的升级回收

　　

   

   

图片:两种催化剂的视觉变化，去掉一段外壳显示内部。白色的球体代表硅壳，洞是孔。亮绿色的球体代表催化位点，左边的比右边的小得多。较长的红色链代表聚合物链，较短的链代表催化后的产物。所有较短的串在尺寸上相似，代表了对不同催化剂的一致选择性。此外，更小的催化剂位点会产生更多更小的链，因为反应发生得更快。

图片由美国能源部阿贡国家实验室提供

最近开发的一种分解塑料的催化剂继续推进塑料的升级回收过程。2020年，由艾姆斯实验室(Ames Laboratory)的科学家领导的研究团队开发出了第一种过程无机催化剂，可以将聚烯烃塑料分解成分子，用于制造更有价值的产品。现在，该团队已经开发并验证了一种策略，可以在不牺牲理想产品的情况下加速转换。

这种催化剂最初是由艾姆斯实验室的科学家黄文宇设计的。它由铂颗粒支撑在固体二氧化硅芯上，并被具有均匀孔隙的二氧化硅壳所包围，以提供进入催化位点的通道。铂的总需求量相当小，这一点很重要，因为铂的成本高，供应有限。在解构实验中，长聚合物链进入气孔并接触催化位点，然后链被打破成更小的碎片，这些碎片不再是塑料材料(详见图片)。

艾姆斯实验室的科学家、塑料合作升级回收研究所(iCOUP)主任亚伦·萨多(Aaron Sadow)解释说，该团队制作了三种不同的催化剂。每一种变化都有相同大小的核和多孔壳，但不同的铂颗粒直径，从1.7到2.9到5.0纳米。

研究小组假设，铂颗粒大小的差异会影响产品链的长度，大的铂颗粒会形成更长的链，小的铂颗粒会形成更短的链。然而，研究小组发现三种催化剂的产品链长度是相同的。

“在文献中，碳-碳键裂解反应的选择性通常随铂纳米颗粒的大小而变化。通过在孔隙底部放置铂，我们看到了一些非常独特的东西，”Sadow说。

相反，对于三种催化剂，链分解成小分子的速度是不同的。较大的铂颗粒与长聚合物链反应较慢，而较小的铂颗粒与长聚合物链反应较快。这种速率的增加可能是由于较小的纳米颗粒表面的边缘和角落铂位点的百分比更高。这些位点在切割聚合物链时比位于粒子表面的铂位点更活跃。

据Sadow说，这些结果是重要的，因为它们表明活性可以独立于这些反应的选择性进行调整。他说:“现在，我们有信心制造出一种更活跃的催化剂，可以更快地咀嚼聚合物，同时利用催化剂的结构参数来调节特定的产品链长度。”

黄解释说，这类较大的分子反应性在多孔催化剂中一般没有得到广泛的研究。因此，这项研究对于理解基础科学以及它如何升级回收塑料很重要。

“我们真的需要进一步了解这个系统，因为我们每天都在学习新的东西。我们正在探索其他可以调整的参数，以进一步提高生产率和改变产品分布，”黄说。“所以在我们的列表中有很多新事物等待我们去发现。”

文章标题

Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins