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Polymers

新型催化剂将一次性塑料转化为高质量液态碳氢化合物

由钛酸锶负载的铂纳米颗粒有助于聚乙烯向消费品化合物转化

by Raleigh McElvery, special to C&EN
November 4, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 43

 

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Credit: Meryll/Shutterstock
新型催化剂可助一次性塑料中的聚乙烯转化成高价值的液态碳氢化合物。

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塑料常常服务于一些“一过性”的用途。每年,大约有3亿吨材料仅使用过一次就被丢弃,造成极大的污染和浪费。科学家和企业一直在合作以改变这种状况,研究可将一次性塑料转变为更有价值的产品的方法。如今,研究人员设计出了一种催化剂,能够将一次性聚乙烯(甚至那些来自塑料袋的类型)有选择性地转化为润滑剂,例如机油或蜡,用于洗涤剂、化妆品等产品 (ACS Cent. Sci. 2019, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00722)。

各公司一直在测试比如催化热解这样的技术。该技术利用高温和缺氧将废弃聚合物转化为一系列短链碳氢化合物,就像柴油燃料中常见的那些。在这项研究中,研究人员转而利用氢解反应,用氢来分解碳-碳键。论文合著者阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的Massimiliano Delferro说,这两种方法都不是完美的,但若有合适的催化剂,后一种方法可更具选择性并产生更高质量的产品。

迄今为止,很少有研究探讨聚乙烯的催化氢解问题。聚乙烯是一种塑料,用于诸多一次性产品,譬如食品包装薄膜、奶瓶和医疗设备中的一次性部件。该项研究使用的新型催化剂最初是由西北大学的Kenneth R. Poeppelmeier的实验室合成的。为了制造新催化剂,研究小组使用原子层沉积法将铂纳米颗粒分散到了尺寸小于100纳米的钛酸锶(SrTiO3)立方体上。铂是氢解的常见催化剂,将铂纳米颗粒负载在SrTiO3上有助于它们承受聚乙烯反应所需的苛刻反应条件。

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Credit: ACS Cent. Sci.
分散在钛酸锶立方粒上的铂纳米颗粒,催化了聚乙烯向高质量润滑剂和蜡的转化。

聚乙烯氢解的挑战之一是难以控制氢在反应中的添加,导致聚乙烯过度分裂成轻质、低价值的碳氢化合物,如甲烷和乙烷。 在这项工作中,研究人员控制了铂纳米颗粒的大小和分布,以最大程度地减少这一问题,并从一系列分子量不同的聚乙烯中生成了液态碳氢化合物。 这些碳氢化合物可作为润滑剂或蜡,并进一步被加工成化妆品和洗涤剂等日常必需品。

艾姆斯实验室(Ames Laboaratory)和爱荷华州立大学的论文合著者Aaron D. Sadow说:“我们可以更有选择性地完成聚乙烯向特定分子量的化合物的转化,这是现有技术确实无法实现的。”

通过研究聚乙烯与Pt/SrTiO3催化剂的相互作用,研究小组发现铂纳米颗粒的大小及其在载体表面上的组装方式可确保较长聚合物链中的碳-碳键优先于较短链中的碳-碳键断裂,因此即使使用商业级塑料袋作原料也可生产高质量的液态产品。他们的催化剂也比商业氢解催化剂表现更好,可将更多的初始聚乙烯转化为所需的碳氢化合物。

利物浦大学的Matthew J. Rosseinsky没有参与这项研究,他说:“这一切都是关于纳米级催化活性的化学控制。对我这样的基础研究人员来说,这才是真正的影响所在。”

纽约市立大学地球工程中心主任Marco J.Castaldi说,虽然这种催化剂可回收,但要扩大规模可能仍过于昂贵,并且它要能经受得住数千小时的使用。 Castaldi没有参与该项研究。他说,这种催化剂具有潜力,但需要进行额外的测试,混合塑料和泥土、染料或食物残渣等污染物。 理想情况下,反应所需的氢将来自低成本、可持续的来源,并且易于回收,以用于随后多轮的反应循环。

研究和信息技术公司More Recycling的首席执行官Nina Bellucci Butler表示,在全球范围内实施化学品回收将需要新的法规,从而提高流程效率并激励企业合作。 她说:“我们必须制定出一些具有恰当驱动力的政策,而我认为,我们正处于不得不行动的紧要时刻。”.

本文由Cici Zhang为C&EN译为中文。英文原文点击此处。.

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