Un nanocatalizador único allana el camino para el reciclaje de plástico

(Noticias de Nanowerk) Un catalizador de degradación de plástico desarrollado recientemente impulsa aún más los procesos de reciclaje de plástico. En 2020, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Ames desarrolló el primer catalizador inorgánico de procesamiento para descomponer los plásticos de poliolefina en moléculas que pueden usarse para fabricar 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 permiten el acceso a los sitios catalíticos. La cantidad total de platino requerida es bastante pequeña, lo cual es importante dado el alto costo y el suministro limitado de platino.

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 más pequeñas 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 hizo tres variaciones del catalizador. Cada variación tenía núcleos de tamaño idéntico y cubiertas porosas, pero diferentes diámetros de partículas de platino, que iban desde 1,7 a 2,9 a 5,0 nm. 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 claro representan los centros catalíticos, las de la izquierda son mucho más pequeñas que las de la derecha. Las cadenas rojas más largas representan las cadenas de polímero y las cadenas más cortas son productos después de la catálisis. Todas las hebras más cortas tienen un tamaño similar, lo que demuestra una selectividad constante en todas las variaciones del catalizador. Además, los sitios de catalizador más pequeños crean cadenas más pequeñas a medida que la reacción avanza más rápido. (Imagen: Laboratorio Ames)

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, ya que las partículas grandes de platino formarían cadenas más largas y las pequeñas formarían cadenas más cortas. Sin embargo, el grupo descubrió que la longitud de la cadena de productos era la misma 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 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 polímero, mientras que las más pequeñas reaccionaron más rápido. 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 para romper la cadena del polímero que el platino que se encuentra en las caras de las partículas.

Según Sadow, los resultados son (Revista de la Sociedad Química Estadounidense«Nanopartículas de tamaño controlado incrustadas en una arquitectura mesoporosa que conducen a una hidrogenólisis eficiente y selectiva de poliolefinas») son importantes porque muestran que la actividad en estas reacciones se puede ajustar independientemente de la selectividad.

«Ahora estamos seguros de que podemos hacer un catalizador más activo que destruya el polímero aún más rápido mientras usamos los parámetros de la estructura del catalizador para ajustar las longitudes específicas de la cadena del producto», dijo.

Huang explicó que este tipo de reactividad de moléculas más grandes en catalizadores porosos generalmente no se estudia mucho. Por lo tanto, la investigación es importante para comprender la ciencia básica y cómo se comporta en el upcycling de plásticos.

“Realmente necesitamos entender el sistema aún mejor porque todavía estamos aprendiendo cosas nuevas todos los días. Estamos investigando otros parámetros que podemos optimizar 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».