Un catalyseur unique ouvre la voie au recyclage du plastique

Visuel de deux variantes du catalyseur, avec un segment de la coque retiré pour montrer l'intérieur. La sphère blanche représente la coquille de silice, les trous sont les pores. Les sphères vertes brillantes représentent les sites catalytiques, celles de gauche sont beaucoup plus petites que celles de droite. Les chaînes rouges plus longues représentent les chaînes polymères et les chaînes plus courtes sont des produits après catalyse. Toutes les chaînes plus courtes sont de taille similaire, ce qui représente la sélectivité constante entre les variations de catalyseur. De plus, il y a plus de chaînes plus petites produites par les sites catalytiques plus petits car la réaction se produit plus rapidement. Crédit :Laboratoire Ames

Un catalyseur récemment développé pour décomposer les plastiques continue de faire progresser les processus de recyclage du plastique. En 2020, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques du laboratoire Ames a développé le premier catalyseur inorganique processif pour déconstruire les plastiques polyoléfiniques en molécules pouvant être utilisées pour créer des produits plus précieux. Aujourd'hui, l'équipe a développé et validé une stratégie pour accélérer la transformation sans sacrifier les produits désirables.

Le catalyseur a été conçu à l'origine par Wenyu Huang, un scientifique d'Ames Lab. Il se compose de particules de platine supportées sur un noyau de silice solide et entourées d'une coquille de silice avec des pores uniformes qui permettent d'accéder aux sites catalytiques. La quantité globale de platine nécessaire est assez faible, ce qui est important en raison du coût élevé et de l'offre limitée du platine. Au cours des expériences de déconstruction, les longues chaînes de polymère s'enfilent dans les pores et entrent en contact avec les sites catalytiques, puis les chaînes sont brisées en morceaux de plus petite taille qui ne sont plus en matière plastique (voir l'image pour plus de détails).

Aaron Sadow, scientifique à Ames Lab et directeur de l'Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), a expliqué que l'équipe avait conçu trois variantes du catalyseur. Chaque variante avait des noyaux et des coquilles poreuses de taille identique, mais des diamètres de particules de platine différents, de 1,7 à 2,9 à 5,0 nm.

L'équipe a émis l'hypothèse que les différences de taille des particules de platine affecteraient la longueur des chaînes de produits, de sorte que les grosses particules de platine feraient des chaînes plus longues et les petites feraient des chaînes plus courtes. Cependant, le groupe a découvert que les longueurs des chaînes de produits étaient de la même taille pour les trois catalyseurs.

"Dans la littérature, la sélectivité pour les réactions de clivage des liaisons carbone-carbone varie généralement avec la taille des nanoparticules de platine. En plaçant du platine au fond des pores, nous avons vu quelque chose d'assez unique", a déclaré Sadow.

Au lieu de cela, la vitesse à laquelle les chaînes ont été brisées en molécules plus petites était différente pour les trois catalyseurs. Les plus grosses particules de platine ont réagi avec la longue chaîne polymère plus lentement tandis que les plus petites ont réagi plus rapidement. Ce taux accru pourrait résulter du pourcentage plus élevé de sites de platine de bord et de coin sur les surfaces des nanoparticules plus petites. Ces sites sont plus actifs dans le clivage de la chaîne polymère que le platine situé sur les faces des particules.

Selon Sadow, les résultats sont importants car ils montrent que l'activité peut être ajustée indépendamment de la sélectivité dans ces réactions. "Maintenant, nous sommes convaincus que nous pouvons fabriquer un catalyseur plus actif qui mâcherait le polymère encore plus rapidement, tout en utilisant les paramètres structurels du catalyseur pour composer des longueurs de chaîne de produit spécifiques", a-t-il déclaré.

Huang a expliqué que ce type de réactivité de molécules plus grandes dans les catalyseurs poreux en général n'est pas largement étudié. La recherche est donc importante pour comprendre la science fondamentale ainsi que ses performances pour le recyclage des plastiques.

« Nous devons vraiment mieux comprendre le système car nous apprenons encore de nouvelles choses chaque jour. Nous explorons d'autres paramètres que nous pouvons ajuster pour augmenter encore le taux de production et modifier la distribution des produits », a déclaré Huang. "Donc, il y a beaucoup de nouvelles choses dans notre liste qui attendent que nous les découvrions."

Cette recherche est discutée plus en détail dans l'article "Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins", publié dans le Journal of the American Chemical Society . + Explorer plus loin