新型氧化锆基催化剂可使塑料升级再造更具可持续性

一种新型催化剂将聚烯烃塑料分解成新的有用产品。该项目是一项新战略的一部分，旨在减少塑料废物的数量及其对环境的影响，并回收塑料被丢弃时损失的价值。该催化剂由美国能源部能源前沿研究中心塑料合作升级回收研究所(iCOUP)的一个团队开发。这项工作由iCOUP主任，艾姆斯国家实验室科学家，爱荷华州立大学教授亚伦·萨多领导;安德烈亚斯·海登，南卡罗来纳大学教授;以及艾姆斯实验室科学家、爱荷华州立大学教授黄文宇。新的催化剂仅由地球上丰富的材料制成，他们证明这些材料可以破坏脂肪烃中的碳 - 碳(CC)键。

脂肪烃是仅由氢和碳组成的有机化合物。聚烯烃塑料是由碳原子的长链连接在一起形成坚固材料的脂肪烃材料。这些材料是塑料废物危机的重要组成部分。黄文宇说：“到目前为止，生产的塑料中有一半以上是基于聚烯烃的。

聚烯烃塑料在现代世界中无处不在，包括收缩包装和其他包装产品、洗涤剂或牛奶等液体容器、防水服装中的纤维、牙线和电子产品。然而，正如Andreas Heyden所解释的那样，聚烯烃是最难回收的塑料之一，需要新的方法。回收的一种有前途的替代方案被称为升级再造。这种方法涉及将材料化学转化为更高价值的产品。

对聚烯烃进行升级改造的一种方法是一种称为氢解的化学过程。在此过程中，催化剂通过切割CC键和添加氢气来分裂分子链。根据Aaron Sadow的说法，用于氢解的催化剂通常基于贵金属，例如铂。铂因其在地壳中的丰度低而昂贵，并且由于其有效性，它被用于多种类型的催化转化。

为了应对可持续性和经济性的挑战，Heyden说：“我们认为我们能够使用富含地球的元素来制造更便宜的催化材料，并且通过以某种方式组装这些元素，我们可能会实现高选择性和非常好的活性。

研究小组发现，氧化锆是一种富含地球的金属氧化物，可以以与贵金属催化剂大致相同的速度切割脂肪烃聚合物中的CC键。“我们很惊讶我们可以使用氧化锆作为催化剂进行CC键的氢解。传统的范式是氧化锆本身不是很反应，“Sadow说。

其成功的关键是催化剂的结构，该结构由黄文宇和他的团队设计。“在这种结构中，超小氧化锆纳米颗粒嵌入在两块介孔二氧化硅板之间。两块硅胶板融合在一起，氧化锆嵌入中间，就像一个三明治，“黄说。“二氧化硅中的孔提供了进入氧化锆的途径，而三明治状结构保护氧化锆纳米颗粒免受烧结或结晶，这将使它们的效率降低。

Heyden的团队负责对反应进行建模，并了解活性位点在反应条件下的位置和方式。“因此，为此，我们同时对催化剂和化学反应进行量子化学建模，以及一些经典的化学反应器建模，”他解释说。“在这里，我们真正看到了无定形氧化锆结构的重要性。

根据Sadow的说法，在氢解中研究氧化锆的想法是基于先前在1990年代后期研究的使用氢化锆进行聚合物解聚的开创性研究。 “利用氢化锆进行氢解是一种非常好的化学，”他说。“问题是这些锆有机金属物质对空气和水非常敏感。因此，它们必须在最干净的条件下处理。通常，聚合物废料不纯净，不作为清洁和完全干燥的起始材料提供。使用氢化锆催化剂，你必须真正担心抑制化学反应的杂质。

该团队开发的新型氧化锆材料在反应前只需在真空下加热，并在氢解过程中保持活性。“氧化锆很容易在空气中处理，然后被激活。它不需要任何真正专业的条件，这也令人兴奋，“萨多说。“能够吸收暴露在空气中的金属氧化物，用烷烃加热并生成有机金属是一种非常强大的反应，可以实现这种氢解过程。它有可能实现许多以前没有考虑过的碳氢化合物的有趣催化转化。

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