直接触媒によるプラスチック廃棄物のアップサイクル – Nature Nanotechnology

国際自然保護連合（IUCN）が発表した最近の文書によると、毎年少なくとも14万トンのプラスチックが海に漂流し、海洋生態系、食品の安全性、経済活動を脅かしているという。¹。海洋におけるプラスチックの環境への影響を軽減するアプローチには、使用量の削減、再利用、リサイクルが含まれます。しかし、毎年生産される 400 億トンを超えるプラスチックのうち、リサイクルされるのは 9% だけです²通常、従来の機械的または熱分解法を使用するため、必然的に元のプラスチックより価値の低い製品が生成されたり、熱の形で非効率的なエネルギー回収が行われたりします。³。近年、廃プラスチックを直接触媒により付加価値のある燃料、化学物質、材料に変換することは、環境面および経済面での利点が期待できるため、ますます注目を集めています。

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プラスチック廃棄物を直接アップサイクルする一般的な方法は、その後の変換を行わずに、プラスチック廃棄物を付加価値のあるモノマーまたはオリゴマー（またはその誘導体）に解重合することです。触媒の設計により、生成物とその分布が決まります。たとえば、メソ細孔の底部に触媒白金サイトを組み込んだ規則的なメソ多孔質シェル/活性サイト/コア触媒構造により、高密度ポリエチレン (HDPE) を選択的に水素化分解して、ディーゼルおよび潤滑剤範囲の狭い分布のアルカンを生成することができます。⁴。さらに、HZSM-5 ゼオライト上のルテニウム ナノ粒子は、HDPE の溶媒/水素フリーの線状分布 (C₁-NS₆) および環状炭化水素 (C₇-NS₁₅) (を参照してください。 記事 この号ではDuとその同僚による）。

付加価値製品を直接生成するもう 1 つの魅力的な戦略は、プラスチック廃棄物を解重合し、同時に得られた粗製品を機能化することです。ポリエチレンからの芳香族界面活性剤の製造は、白金/アルミナ触媒を使用して芳香族化と水素化分解を組み合わせることで、比較的穏やかな操作条件で達成できます。⁵。さらに、不飽和鎖の部分脱水素化とタンデムエテノリシスにより、廃棄物グレードのポリエチレンからプロピレンを選択的に製造でき、収率は 80% に達します。⁶.

解重合プロセス中のヘテロ原子とハロゲンの導入も、付加価値のある製品の形成に役立ちます。例えば、ガス状炭化水素生成物は、酸化経路を介したポリエチレンの直接変換から製造することができる。硝酸処理によりポリエチレンは有機酸 (コハク酸、グルタル酸、アジピン酸) に変換され、光触媒または電気触媒によってオレフィンに変換されます。⁷。さらに、可視光照射下でグラファイト窒化炭素光触媒を用いて、ポリスチレンから芳香族含酸素化合物への酸化的アップサイクルが実現されました。ポリスチレンの転化率は 90 °C で 150% 以上になり、主に安息香酸、アセトフェノン、ベンズアルデヒドが液相で得られます。⁸.

プラスチックのアップサイクルには、他にもさまざまな間接的なアプローチがあり、廃プラスチックは最初にモノマー、オリゴマー、またはその誘導体に解重合され、その後、熱、電気、光、またはその他の条件下でさらに価値の高い化学物質に変換されます。生体触媒条件。このアップサイクル ルートは、別のモノマー生成ステップを通過するため間接的であり、直接的なアップサイクルと比較して、環境への影響とプロセスの経済性の両方に悪影響を与える可能性があります。⁹.

市販のプラスチックは通常、ポリマーと低分子添加剤を含む成分または配合物のブレンドです。分子の同一性と配置 (分岐および/または架橋の程度)、結晶化度、分子量などの重要な要素が、ポリマーの物理化学的特性と化学結合へのアクセスしやすさを決定し、触媒の効率と選択性に影響を与えます。プラスチックの解体方法論¹⁰。さまざまな原料用に開発されている触媒とプロセスを、さまざまな化学組成と物理構造、ポリマー基材の物理的特性、化学組成と構造 (モノマーの正体、分子量分布、融点、結晶化度) と定量的に比較するため。反応条件 (pH、温度、基質の添加量、撹拌速度など) も厳密に報告する必要があります。報告文献におけるこの計測は、この分野の進歩を調整し、有意義な方法でプラスチック汚染の問題に取り組むのに不可欠です。