Nový katalyzátor může umožnit smíšené recyklaci plastů
Budoucnost recyklace plastu by se mohla brzy stát mnohem jednodušší a efektivnější.
Vědci na Northwestern University vyvinuli novou plastickou metodu upcyclingu, která výrazně snižuje-a dokonce může eliminovat-potřebu předběžného smíšeného plastového odpadu.
Jádrem procesu je nízkonákladový katalyzátor na bázi niklu, který selektivně cílí na polyolefinové plasty, včetně polyethylenů a polypropylenů, které tvoří téměř dvě třetiny globální jedno použití plastického spotřeby. To znamená, že katalyzátor může být aplikován na velké objemy netříděného polyolefinového odpadu.
Když je aktivován, katalyzátor přeměňuje tyto pevné plasty s nízkou hodnotou na kapalné oleje a vosky, které lze přeměnit na produkty s vyšší hodnotou, jako jsou paliva, maziva a svíčky. Katalyzátor lze znovu použít několikrát a zejména je také schopen rozkládat plasty kontaminované polyvinylchloridem (PVC), toxickým materiálem dlouho považovaným za to, že plasty jsou „nezaměnitelné“.
Klíčové výzvy a průlomový potenciál
Studie byla nedávno zveřejněna v časopise Chemie přírody.
„Jednou z největších překážek v recyklaci plastu je vždy nutnost pečlivého třídění plastového odpadu podle typu,“ řekl Tobin Marks Northwestern, vedoucí autor studie. „Náš nový katalyzátor by mohl obejít tento nákladný a pracovní krok pro běžné polyolefinové plasty, čímž se recyklace zvyšuje efektivnější, praktičtější a ekonomicky životaschopnější než současné strategie.“
„Když si lidé myslí na plast, pravděpodobně přemýšlejí o polyolefinech,“ řekl Northwestern’s Yosi Kratish, spolupráci autor na papíře. „V podstatě je téměř vše v chladničce na bázi polyolefinu-stisknutí lahví pro koření a salátové dresinky, mléčné džbány, plastový obal, odpadky, jednorázové náčiní, kartony šťávy a mnohem více. škodlivé mikroplastiky. “
Marks, světově proslulý odborník na katalýzu, je profesorem katalytické chemie Vladimir N. Ipatieff na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences a profesorem chemického a biologického inženýrství na Northwestern’s McCormick School of Engineering. Je také přidružením fakulty v Institutu Paula M. Trienes pro udržitelnost a energii. Kratish je výzkumným asistentem profesora ve skupině Marks a přidruženým členem fakulty v Trienensově institutu. Prvním autorem studie je Qingheng Lai, výzkumná spolupracovníka ve skupině Marks. Marks, Kratish a Lai vedli studii s Jeffreym Millerem, profesorem chemického inženýrství na Purdue University; Michael Wasielewski, profesorka chemie Clare Hamilton Hall ve Weinbergu; a Takeshi Kobayashi vědec v Ames National Laboratory.
Polyolefinový potíže
Od jogurtových šálků a obalů na občerstvení až po šamponové lahve a lékařské masky jsou polyolefinové plasty součástí každodenního života. Jsou to nejpoužívanější plasty na světě, produkované v obrovském množství. Podle některých odhadůKaždý rok se vyrábí více než 220 milionů tun polyolefinových produktů. Podle a 2023 Zpráva v časopise PřírodaMíra recyklace těchto plastů zůstává obtížně nízká a klesá mezi méně než 1% a 10% po celém světě.
Tento špatný recyklační záznam je z velké části způsoben trvanlivost polyolefinů. Jejich struktura je tvořena malými molekulami spojenými vazby uhlíkově uhlíku, které jsou notoricky silné a obtížně se rozdělily.
„Když navrhujeme katalyzátory, zaměřujeme se na slabá místa,“ řekl Kratish. „Ale polyolefiny nemají žádné slabé vazby. Každá vazba je neuvěřitelně silná a chemicky nereaktivní.“
Problémy se současnými procesy
V současné době existuje jen několik, méně než ideální procesy, které mohou recyklovat polyolefin. Může být skartován do vloček, které se poté roztaví a downcyclují, aby se vytvořily plastové pelety nízké kvality. Ale protože různé typy plastů mají různé vlastnosti a body tání, tento proces vyžaduje, aby pracovníci svědomitě oddělili různé typy plastů. Dokonce i malá množství jiných plastů, zbytků potravin nebo nelastických materiálů může ohrozit celou dávku. A ty kompromitované šarže jdou přímo na skládku.
Další možností je topení plastů na neuvěřitelně vysoké teploty, dosažení 400 až 700 stupňů Celsia. Ačkoli tento proces degraduje plasty polyolefinu na užitečnou směs plynů a kapalin, je extrémně energeticky náročný.
„Samozřejmě všechno lze spálit,“ řekl Kratish. „Pokud aplikujete dostatek energie, můžete cokoli převést na oxid uhličitý a vodu. Chtěli jsme však najít elegantní způsob, jak přidat minimální množství energie k odvození produktu maximální hodnoty.“
Precision Engineering
K odhalení tohoto elegantního roztoku se značky, kratish a jejich tým dívali na hydrogenolýzu, proces, který používá vodíkový plyn a katalyzátor k rozdělení plastů polyolefinu na menší, užitečné uhlovodíky. Zatímco přístupy k hydrogenolýze již existují, obvykle vyžadují extrémně vysoké teploty a drahé katalyzátory vyrobené z ušlechtilých kovů, jako je platina a palladium.
„Měřítko produkce polyolefinu je obrovská, ale globální rezervy Noble Metal jsou velmi omezené,“ řekl Lai. „Pro chemii nemůžeme použít celou kovovou zásobu. A i kdybychom to udělali, stále by nestačilo k řešení plastického problému. Proto se zajímáme o kovy bohaté na Zemi.“
Pro jeho katalyzátor recyklace polyolefinu určil severozápadní tým kationtového niklu, který je syntetizován z hojného, levného a komerčně dostupného niklového sloučeniny. Zatímco jiné katalyzátory nanočástice nanočástic niklu mají více reakčních míst, tým navrhl molekulární katalyzátor s jedním lokalitou.
Konstrukce jednoho místa umožňuje katalyzátoru působit jako vysoce specializovaný skalpel-přednostně řezání vazeb z uhlíkového uhlíku-spíše než méně kontrolovaný tupý nástroj, který bez rozdílu rozkládá celou strukturu plastu. Výsledkem je, že katalyzátor umožňuje selektivní rozpad rozvětvených polyolefinů (jako je isotaktický polypropylen), když jsou smíchány s neřízenými polyolefiny – účinně je chemicky oddělují.
„Ve srovnání s jinými katalyzátory na bázi niklu používá náš proces katalyzátor jednoho místa, který pracuje při teplotě o 100 stupňů nižší a při polovině tlaku vodíkového plynu,“ řekl Kratish. „Používáme také 10krát méně zatížení katalyzátoru a naše aktivita je 10krát větší. Vyhráváme tedy ve všech kategoriích.“
Zrychleno kontaminací
Se svým jediným, přesně definovaným a izolovaným aktivním místem má katalyzátor na bázi niklu bezprecedentní aktivitu a stabilitu. Katalyzátor je ve skutečnosti tak tepelně a chemicky stabilní, že udržuje kontrolu, i když je vystaven kontaminantům, jako je PVC. PVC se používá v potrubí, podlahách a zdravotnických prostředcích a je vizuálně podobná jiným typům plastů, ale po zahřívání výrazně méně stabilní. Po rozkladu uvolňuje PVC plyn chlorovodíku chlorovodík, vysoce korozivní vedlejší produkt, který obvykle deaktivuje katalyzátory a narušuje proces recyklace.
Je úžasné, že nejen Northwesternův katalyzátor vydržel kontaminaci PVC, PVC ve skutečnosti zrychlil jeho aktivitu. I když je celková hmotnost odpadní směsi tvořena 25% PVC, vědci zjistili, že jejich katalyzátor stále pracoval se zlepšeným výkonem. Tento neočekávaný výsledek naznačuje, že metoda týmu by mohla překonat jednu z největších překážek ve smíšené recyklaci plastů – rozkládání odpadu v současné době považováno za „nepochybné“ kvůli kontaminaci PVC. Katalyzátor může být také regenerován v několika cyklech jednoduchým ošetřením levným alkylaluminiem.
„Přidání PVC do recyklační směsi bylo vždy zakázáno,“ řekl Kratish. „Ale zjevně to dělá náš proces ještě lepší. To je šílené. Rozhodně to není něco, co by někdo očekával.“
Reference: „Stabilní katalyzátor s jedním lokalitou přednostně hydrogenolysové rozvětvené polyolefin C-C vazby“ od Qingheng Lai, Xinrui Zhang, Shan Jiang, Matthew D. Krzyaniak, Selim Alayoglu, Amol Agarwal, Yukun Liu, Wilson C. Edenfield, Yukung, Yuyang, Virayak, Vilayak, Vilayak, vilaj, vilay, vilaj, vilaj, vilaj, vilaj, vilaj, Yukun liu, Yukun. Dravid, Michael R. Wasielewski, Jeffery T. Miller, Yosi Kratish a Tobin J. Marks, 2. září 2025, Chemie přírody.
Doi: 10.1038/s41557-025-01892-y
Podporováno americkým ministerstvem energetiky (číslo ceny DE-SC0024448) a The Dow Chemical Company.
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
