編譯 希區(qū)客

正在分解塑料的催化劑的示意圖。白色球殼代表介孔二氧化硅殼，上面分布著大小均一的孔隙。內(nèi)核上的小球體代表催化位點，左側(cè)那些小球體的尺寸比右側(cè)的小得多，代表鉑納米顆粒的大小差異。較長的細條代表催化前的聚合物長鏈，較短的細條是催化后的產(chǎn)物。所有較短細條在尺寸上都差不多，意味著不同型號催化劑的選擇性是一致的。較小的催化劑位點則產(chǎn)生了更多的短細條，它們的催化速率更快

2020年，美國能源部下屬的艾姆斯實驗室發(fā)現(xiàn)了第一種可能化塑為寶的進行性無機催化劑。該催化劑能將聚烯烴塑料的長鏈分解為較短分子，后者有望用于制造更具價值的產(chǎn)品，實現(xiàn)塑料廢物的循環(huán)利用。催化劑的設(shè)計團隊由該實驗室催化化學(xué)家黃文裕等領(lǐng)銜。

近期，該團隊又發(fā)表論文，詳細介紹了他們的催化劑體系，及其對塑料循環(huán)的巨大潛力。

催化劑的結(jié)構(gòu)是這樣的：鉑納米顆粒組成催化核心，被介孔二氧化硅包裹，形成核殼結(jié)構(gòu)，另有二氧化硅球支撐此結(jié)構(gòu)。所需的鉑總量非常少——這一點很關(guān)鍵，因為鉑成本極高且供應(yīng)有限。在分解塑料的過程中，聚合物長鏈通過殼層上尺寸均一的孔隙進入核心區(qū)，并接觸催化位點，從而被分解為短鏈片段。原來的塑料變成了具備再利用潛質(zhì)的某種“二次原料”。

艾姆斯實驗室的科學(xué)家、塑料合作升級循環(huán)研究所（iCOUP）主任亞倫·薩多（Aaron Sadow）表示，黃文裕團隊制作了3種型號的催化劑，每個型號的核心及多孔殼層都有著相同尺寸，但組成核心的鉑顆粒的直徑各異，分別為1.7 nm、2.9 nm、5.0 nm。

研究人員起初判斷鉑顆粒大小的差異會影響分解產(chǎn)物的鏈長度，更大的鉑顆粒會催化得到更長的短鏈，不過最終發(fā)現(xiàn)，每種型號的催化產(chǎn)物都有著相同的鏈長度。

薩多表示：“以往文獻告訴我們，碳-碳鍵斷裂反應(yīng)的選擇性通常隨鉑納米粒子尺寸的變化而變化。但在這個核殼結(jié)構(gòu)中，我們看到了一些非常獨特的情況。”

另一方面，長鏈斷裂成短鏈的速率，即分解速率，因鉑顆粒大小而異：較大鉑顆粒與聚合物長鏈的反應(yīng)更慢，較小鉑顆粒則催化活性更強。

用薩多的話說，上述結(jié)果很關(guān)鍵，因為它們意味著研究者能在不影響反應(yīng)選擇性的情況下調(diào)節(jié)催化活性。“現(xiàn)在，我們相信自己能制備出活性更強的催化劑，更快拆解聚合物，同時也能通過改變催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整分解產(chǎn)物的鏈長度?！?/p>

黃文裕解釋道，多孔催化劑的大分子反應(yīng)性尚未得到廣泛研究。鑒于此，新成果對于我們理解這門獨特催化技術(shù)的基本原理及其對塑料循環(huán)的意義是非常重要的?！拔覀冃枰M一步了解這個催化體系。我們正探索其他可調(diào)整的參數(shù)，以期進一步提高生產(chǎn)率并改善產(chǎn)品分布?！?/p>

資料來源 scitechdaily.com