Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Ames, Mỹ dẫn đầu phát hiện được chất xúc tác vô cơ xử lý đầu tiên vào năm 2020, có thể phá giải cấu trúc nhựa polyolefin thành những phân tử, được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có giá trị cao. Hiện nhóm đã phát triển và xác thực một phương pháp tăng tốc độ chuyển đổi mà không làm mất những sản phẩm mong muốn.

Chất xúc tác ban đầu do Wenyu Huang, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Ames thiết kế. Chất xúc tac bao gồm các hạt bạch kim được gắn trên lõi silica rắn, bao quanh là một lớp vỏ silica với các lỗ rỗng đồng nhất, cho phép tiếp cận các vị trí xúc tác.

Tổng lượng bạch kim cần thiết khá nhỏ, đặc điểm này có ý nghĩa quan trọng do giá thành của bạch kim cao và nguồn cung hạn chế. Trong những thí nghiệm giải cấu trúc, các chuỗi polyme dài luồn vào các lỗ rỗng và tiếp xúc với những vị trí xúc tác, các chuỗi sẽ bị phá vỡ thành những mảnh có kích thước nhỏ hơn, không còn là vật liệu dẻo.

Hình ảnh của hai biến thể của chất xúc tác, một phần của vỏ được loại bỏ để hiển thị bên trong. Hình cầu màu trắng tượng trưng cho lớp vỏ silica, các lỗ là các lỗ xốp. Các quả cầu màu xanh lá cây tươi sáng là các vị trí xúc tác, những quả cầu bên trái nhỏ hơn nhiều so với những quả cầu bên phải. Các dây dài màu đỏ là các chuỗi polymer, các dây ngắn hơn là sản phẩm sau quá trình phản ứng có xúc tác.

Tất cả các chuỗi ngắn hơn đều có kích thước tương tự nhau, thể hiện tính chọn lọc nhất quán với các biến thể của chất xúc tác. Có nhiều chuỗi nhỏ hơn được tạo ra do vị trí xúc tác nhỏ hơn và phản ứng xảy ra nhanh hơn. Ảnh Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Bộ Năng lượng Mỹ.

Theo GS Aaron Sadow, nhà khoa học tại Ames Lab, giám đốc Viện Hợp tác tái chế nhựa (iCOUP), nhóm nghiên cứu tạo ra ba biến thể của chất xúc tác. Mỗi biến thể đều có lõi và vỏ xốp có kích thước như nhau, nhưng đường kính của các hạt bạch kim khác nhau, từ 1,7 đến 2,9 đến 5,0 nm.

Các nhà nghiên cứu giả thuyết, sự khác biệt kích thước hạt bạch kim ảnh hưởng đến độ dài của chuỗi sản phẩm, các hạt bạch kim lớn sẽ tạo ra chuỗi dài hơn và những hạt nhỏ sẽ tạo ra chuỗi ngắn hơn. Nhưng trong thực nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện thấy, độ dài của những chuỗi sản phẩm bị phân giải có cùng kích thước với cả ba chất xúc tác.

GS Sadow cho biết, Theo lý thuyết độ chọn lọc đối với các phản ứng phân cắt liên kết cacbon-cacbon sẽ thay đổi theo kích thước của các hạt nano bạch kim. Nhưng trong thử nghiêm đã xuất hiện kết quả khác, tốc độ các chuỗi bị phá vỡ thành các phân tử nhỏ hơn đối với ba chất xúc tác khác nhau. Các hạt bạch kim lớn hơn phản ứng với chuỗi polyme dài chậm hơn trong khi các hạt nhỏ hơn phản ứng nhanh hơn. Tỷ lệ tăng này có thể do tỷ lệ phần trăm các vị trí cạnh và góc của bạch kim trên bề mặt các hạt nano nhỏ nhiều hơn. Các vị trí này hoạt động mạnh trong việc phân cắt chuỗi polyme hơn so với phần bạch kim bề mặt các hạt.

Kết quả rất quan trọng vì hoạt tính của chất xúc tác có thể được điều chỉnh độc lập với tính chọn lọc trong nhưng phản ứng này. Các nhà khoa học có thể tạo ra một chất xúc tác hoạt tính cao, phân giải các polymer nhanh hơn, sử dụng các thông số cấu trúc chất xúc tác thu được độ dài chuỗi của sản phẩm cụ thể.

Nghiên cứu này cho phép hiểu được một cách cơ bản khoa học về chất xúc tác vô cơ trong quá trình tái tạo chất dẻo. Nhóm nghiên cứu tiếp tục khám phá những thông số khác của chất xúc tác vô cơ nhằm làm chủ được quy trình tạo ra các độ dài chuỗi sản phẩm sau phân giải polymer, tăng tốc độ phản ứng sản xuất.

Nghiên cứu do Viện Hợp tác Nâng cấp Chất dẻo (iCOUP), đứng đầu là Phòng thí nghiệm Ames thực hiện. iCOUP là Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng hội tụ các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Ames, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, UC Santa Barbara, Đại học Nam Carolina, Đại học Cornell, Đại học Northwestern và Đại học Illinois Urbana-Champaign.