Direkte katalytisk plastaffald upcycling – Nature Nanotechnology

Ifølge et nyligt dokument udgivet af International Union for Conservation of Nature (IUCN) ender mindst 14 millioner tons plastik i havene hvert år, hvilket truer det marine økosystem, fødevaresikkerheden og økonomiske aktiviteter¹. Tiltag til at afbøde miljøpåvirkningen af ​​plast i havene omfatter reduktion af brug, genbrug og genanvendelse. Af de over 400 millioner tons plast, der produceres hvert år, er det dog kun 9%, der genanvendes², normalt med konventionelle mekaniske eller termiske pyrolysemetoder, der nødvendigvis fører til produkter af lavere værdi end den originale plast eller ineffektiv energigenvinding i form af varme³. I de senere år har direkte katalytisk omdannelse af plastaffald til værditilvækst brændstof, kemikalier og materialer fået mere og mere opmærksomhed på grund af dets potentielle miljømæssige og økonomiske fordele.

Kredit: Sergey Ryzhov / Alamy Arkivfoto

En almindelig måde at genbruge plastaffald direkte på er at depolymerisere det til værdiforøgede monomerer eller oligomerer (eller deres derivater) uden efterfølgende transformationer. Katalysatorernes design bestemmer produkterne og deres distribution. For eksempel, med en ordnet, mesoporøs skal/aktivt sted/kerne-katalysatorarkitektur, der inkorporerer katalytiske platinsteder i bunden af ​​mesoporen, kan højdensitetspolyethylen (HDPE) selektivt hydrogenolyseres til en snæver fordeling af diesel- og smøremiddelalkaner⁴. Derudover katalyserer ruthenium nanopartikler på HZSM-5 zeolit ​​opløsningsmiddel/hydrogenfri upcycling af HDPE til en adskillelig fordeling af lineær (C)₁-C₆) og cykliske carbonhydrider (C₇-C₁₅) (se Artikel i dette nummer af Du og kolleger).

En anden spændende strategi til direkte at generere værdiskabende produkter er ved at depolymerisere plastaffald og samtidig funktionalisere det resulterende råprodukt. Produktion af aromatiske overfladeaktive stoffer fra polyethylen kan opnås ved relativt milde driftsbetingelser ved at kombinere aromatiseringen og hydrogenolysen med en platin/aluminiumoxid-katalysator⁵. Derudover kan propylen fremstilles selektivt af affaldskvalitetspolyethylen med udbytter så høje som 80 % ved delvis dehydrogenering og tandem-ethenolyse af den umættede kæde⁶.

Introduktionen af ​​heteroatomer og halogener under depolymeriseringsprocessen hjælper også med dannelsen af ​​værditilvækstprodukter. For eksempel kan gasformige carbonhydridprodukter fremstilles ud fra den direkte omdannelse af polyethylen gennem en oxidativ vej. En salpetersyrebehandling omdanner polyethylen til organiske syrer (ravsyre, glutarsyre og adipinsyre), som derefter kan fotokatalytisk eller elektrokatalytisk omdannes til olefiner⁷. Derudover er oxidativ upcycling af polystyren til aromatiske oxygenater blevet realiseret med grafitisk carbonnitrid-fotokatalysator under synlig lysbestråling. Omdannelsen af ​​polystyren kan være mere end 90 % ved 150 °C, hvilket hovedsageligt opnår benzoesyre, acetophenon og benzaldehyd i flydende fase⁸.

Der er en række andre indirekte tilgange til plast-upcycling, hvor plastaffald først depolymeriseres til monomerer, oligomerer eller deres derivater, som derefter kan omdannes yderligere til kemikalier af høj værdi under termo-, elektro-, foto- eller biokatalytiske forhold. Denne upcycling-rute er indirekte, da den passerer gennem et separat monomergenereringstrin, og den kan have en negativ indvirkning på både de miljømæssige konsekvenser og økonomien ved processen sammenlignet med direkte upcycling⁹.

Kommerciel plast er normalt en blanding af komponenter eller formuleringer, der inkluderer polymerer og småmolekylære additiver. Nøglefaktorer såsom den molekylære identitet og arrangement (graden af ​​forgrening og/eller tværbinding), krystallinitet og molekylvægt bestemmer polymerens fysisk-kemiske egenskaber og tilgængeligheden til kemiske bindinger, hvilket påvirker effektiviteten og selektiviteten af ​​det katalytiske middel. plastdekonstruktionsmetodologi¹⁰. At kvantitativt sammenligne de katalysatorer og processer, der udvikles til forskellige råmaterialer, med de forskellige kemiske sammensætninger og fysiske strukturer, de fysiske egenskaber af det polymere substrat, deres kemiske sammensætning og struktur (monomer identiteter, molekylvægtfordeling, smeltepunkt og krystallinitet), som såvel som reaktionsbetingelser (pH, temperatur, substratbelastninger, omrøringshastighed og så videre) skal rapporteres nøje. Denne metrologi i rapporteringslitteraturen er afgørende for at koordinere fremskridt på området og hjælpe med at tackle problemet med plastikforurening på en meningsfuld måde.