Su altında bir plastik poşetin fotoğrafı.
Bir bilim insanı ekibi, liderliğinde Ames Ulusal Laboratuvarı’nda araştırmacı, Iowa Eyalet Üniversitesi’nde Kimya Profesörü ve Plastik Kooperatif İleri Dönüşüm Enstitüsü (iCOUP) Direktörü Aaron Sadow, hidrokarbonları daha yüksek değerli kimyasallara ve malzemelere dönüştüren yeni bir katalizör geliştirdi. geri dönüştürülebilir ve çevre dostu. Bu katalizör, motor yağı, tek kullanımlık plastik poşetler, su veya süt şişeleri, kapaklar ve hatta doğal gaz gibi malzemeleri daha sürdürülebilir maddelere dönüştürebilir.
Yeni katalizör, yalnızca hidrojen ve karbondan oluşan organik bileşikler olan alifatik hidrokarbonlara fonksiyonel gruplar eklemek için tasarlanmıştır. Bu hidrokarbonlar, fonksiyonel grupları olmadığı için genellikle su ile karışmazlar ve ayrı tabakalar oluştururlar. Fonksiyonel grupları bu hidrokarbon zincirlerine dahil ederek, malzemelerin özellikleri önemli ölçüde değiştirilebilir ve daha geri dönüştürülebilir hale getirilebilir.
“Doğal gazdaki metan, yalnızca karbon-hidrojen (CH) bağları içeren en basit hidrokarbondur. Yağlar ve polimerler, karbon-karbon (CC) bağlarıyla birbirine bağlanan karbon atomu zincirlerine sahiptir,” diye açıkladı Sadow.
Alifatik hidrokarbonlar, plastikler ve motor yağları gibi birçok petrol ve rafine petrol ürününü oluşturur. Sadow, bu malzemelerin “başka fonksiyonel grupları yok, bu da biyolojik olarak parçalanmalarının kolay olmadığı anlamına geliyor” dedi. “Dolayısıyla, bu tür malzemeleri alıp oksijen gibi diğer atomları ekleyebilmek veya bu basit kimyasallardan yeni yapılar inşa edebilmek uzun zamandır kataliz alanında bir hedef olmuştur.”
Maalesef, Hidrokarbon zincirlerine atom eklemenin geleneksel yolu, önemli miktarda enerji girdisi gerektirir. İlk olarak petrol, ısı ve basınçla küçük yapı bloklarına “kırılır”. Daha sonra, bu yapı taşları zincirleri büyütmek için kullanılır. Son olarak zincirlerin sonuna istenilen atomlar eklenir. Bu yeni yaklaşımda, mevcut alifatik hidrokarbonlar, çatlama olmadan ve düşük sıcaklıklarda doğrudan dönüştürülür.
Sadow’un ekibi daha önce bu hidrokarbon zincirlerindeki CC bağlarını kırmak için bir katalizör kullandı ve aynı anda daha küçük zincirlerin uçlarına alüminyum bağladı. . Daha sonra, fonksiyonel grupları tanıtmak için oksijen veya diğer atomları yerleştirdiler. Tamamlayıcı bir süreç geliştirmek için ekip, CC bağını bozma adımından kaçınmanın bir yolunu buldu. Sadow, “Başlangıç malzemesinin zincir uzunluğuna ve ürünün istenen özelliklerine bağlı olarak, zincirleri kısaltmak veya sadece oksijen işlevsel grubunu eklemek isteyebiliriz” dedi. “CC bölünmesini önleyebilseydik, prensip olarak zincirleri katalizörden alüminyuma aktarabilir ve ardından fonksiyonel grubu oluşturmak için hava ekleyebilirdik.”
Sadow, katalizörün bağlanarak sentezlendiğini açıkladı. ticari olarak temin edilebilen bir zirkonyum bileşiğinin ticari olarak temin edilebilen silis-alümina üzerine. Maddelerin tümü toprakta bol miktarda bulunur ve ucuzdur, bu da gelecekteki potansiyel ticari uygulamalar için faydalıdır.
Ayrıca, katalizör ve reaktan, sürdürülebilirlik ve maliyet açısından avantajlıdır. Alüminyum, yeryüzünde en çok bulunan metaldir ve kullanılan alüminyum reaktanı, atık yan ürünler oluşturmadan sentezlenir. Zirkonyum alkoksit bazlı katalizör öncüsü havada kararlıdır, hali hazırda mevcuttur ve reaktörde aktive edilir. Sadow, “Yani, havaya son derece duyarlı olan birçok eski organometalik kimyanın aksine, bu katalizör ön maddesinin kullanımı kolaydır,” dedi.
Bu kimya, çeşitli plastiklerin fiziksel özelliklerini etkileyebilmeye yönelik bir adımdır. , onları daha güçlü ve daha kolay renklendirmek gibi. Sadow, “Katalizi daha fazla geliştirdikçe, polimerlerin fiziksel özelliklerini etkilemek için daha fazla ve daha fazla işlevsel grubu dahil edebileceğimizi umuyoruz,” dedi.
Sadow, bu projenin başarısının şuna borçluydu: iCOUP’un işbirlikçi doğası. Ames Ulusal Laboratuvarı’ndaki Perras grubu, Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektroskopisi kullanarak katalizör yapılarını inceledi. Cornell Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan Coates, LaPointe ve Delferro grupları polimer yapısını ve fiziksel özelliklerini inceledi. Ve Peters’ın Illinois Üniversitesi’ndeki grubu, polimer işlevselleştirmeyi istatistiksel olarak modelledi. Sadow, “Merkezdeki proje başarıları, birçok grubun uzmanlığının katkılarına dayanıyor” dedi. “Bu çalışma ekip biliminin faydalarını vurgulamaktadır.”
Referans: “Zirkonyum Katalizli C–H Alumination of Polyolefins, Paraffins ve Metan”, yazan Uddhav Kanbur, Alexander L. Paterson, Jessica Rodriguez, Andrew L. Koçen, Ryan Yappert, Ryan A. Hackler, Yi-Yu Wang, Baron Peters, Massimiliano Delferro, Anne M. LaPointe, Geoffrey W. Coates, Frédéric A. Perras ve Aaron D. Sadow, 25 Ocak 2023, Journal of the American Chemical Toplum.
DOI: 10.1021/jacs.2c11056
Çalışma, “A Versatile New Tool for Making Commodity Chemicals” başlıklı JACS Spotlight’ta da yer aldı.
{7 }Araştırma, Ames Ulusal Laboratuvarı liderliğindeki Plastik Kooperatif İleri Dönüşüm Enstitüsü (iCOUP) tarafından yürütüldü. iCOUP, Ames Ulusal Laboratuvarı, Argonne Ulusal Laboratuvarı, UC Santa Barbara, Güney Karolina Üniversitesi, Cornell Üniversitesi, Northwestern Üniversitesi ve Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’den bilim adamlarından oluşan bir Enerji Sınırı Araştırma Merkezidir.