分解塑料的獨(dú)特催化劑

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(diǎn)，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(zhǎng)的細(xì)條代表催化前的聚合物長(zhǎng)鏈，較短的細(xì)條是催化后的產(chǎn)物。所有較短細(xì)條在尺寸上都差不多，意味著不同型號(hào)催化劑的選擇性是一致的。較小的催化劑位點(diǎn)則產(chǎn)生了更多的短細(xì)條，它們的催化速率更快

2020年，美國(guó)能源部下屬的艾姆斯實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了第一種可能化塑為寶的進(jìn)行性無(wú)機(jī)催化劑。該催化劑能將聚烯烴塑料的長(zhǎng)鏈分解為較短分子，后者有望用于制造更具價(jià)值的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)塑料廢物的循環(huán)利用。催化劑的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)由該實(shí)驗(yàn)室催化化學(xué)家黃文裕等領(lǐng)銜。

近期，該團(tuán)隊(duì)又發(fā)表論文，詳細(xì)介紹了他們的催化劑體系，及其對(duì)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(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)殂K成本極高且供應(yīng)有限。在分解塑料的過(guò)程中，聚合物長(zhǎng)鏈通過(guò)殼層上尺寸均一的孔隙進(jìn)入核心區(qū)，并接觸催化位點(diǎn)，從而被分解為短鏈片段。原來(lái)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(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、塑料合作升級(jí)循環(huán)研究所（iCOUP）主任亞倫·薩多（Aaron Sadow）表示，黃文裕團(tuán)隊(duì)制作了3種型號(hào)的催化劑，每個(gè)型號(hào)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(huì)影響分解產(chǎn)物的鏈長(zhǎng)度，更大的鉑顆粒會(huì)催化得到更長(zhǎng)的短鏈，不過(guò)最終發(fā)現(xiàn)，每種型號(hào)的催化產(chǎn)物都有著相同的鏈長(zhǎng)度。

薩多表示：“以往文獻(xiàn)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(gè)核殼結(jié)構(gòu)中，我們看到了一些非常獨(dú)特的情況?！?/p>

另一方面，長(zhǎng)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(zhǎng)鏈的反應(yīng)更慢，較小鉑顆粒則催化活性更強(qiáng)。

用薩多的話說(shuō)，上述結(jié)果很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈円馕吨芯空吣茉诓挥绊懛磻?yīng)選擇性的情況下調(diào)節(jié)催化活性?！艾F(xiàn)在，我們相信自己能制備出活性更強(qiáng)的催化劑，更快拆解聚合物，同時(shí)也能通過(guò)改變催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)整分解產(chǎn)物的鏈長(zhǎng)度。”

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(duì)于我們理解這門(mén)獨(dú)特催化技術(shù)的基本原理及其對(duì)塑料循環(huán)的意義是非常重要的?！拔覀冃枰M(jìn)一步了解這個(gè)催化體系。我們正探索其他可調(diào)整的參數(shù)，以期進(jìn)一步提高生產(chǎn)率并改善產(chǎn)品分布?！?/p>

資料來(lái)源 scitechdaily.com