Công trình nghiên cứu tiên tiến có tiêu đề “Những cấu trúc nano Ru rối loạn nguyên tử trên vật chất hỗ trợ CeO2 là chất xúc tác hiệu quả cao và có chọn lọc trong quá trình tái chế nâng cấp polymer bằng phương pháp thủy phân (hydrogenolysis)” được trình bày ngày 22/8/ 2022 tại cuộc họp mùa thu của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS) ở Chicago. 

 

Nhà hóa học Janos Szanyi thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL), lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết, điều then chốt trong phát minh mới của nhóm nhà khoa học là tải lượng kim loại trong chất xúc tác thấp, khiến cho việc sử dụng chất xúc tác rẻ đi rất nhiều.

Kỹ thuật mới chuyển đổi hiệu quả hơn chất dẻo thành những hóa chất hàng hóa có giá trị cao trong một quy trình được gọi là “tái sử dụng nâng cao” (Upcycling) tạo ra ít methane, loại khí nhà kính không mong muốn như một sản phẩm phụ, so với những phương pháp tái chế đã được giới thiệu.

Nghiên cứu sinh sau TS Linxiao Chen, trình bày nghiên cứu tại ACS, cho biết, không có bất kỳ công bố nào trước đây cho được kết quả này. Nghiên cứu cho thấy khả năng phát triển các chất xúc tác hiệu quả, có chọn lọc và đa năng cho quy trình tái chế nhựa.

Tái sử dụng nâng cao nhựa là gì?

Việc tái sử dụng nhựa cung cấp một cách để  giải quyết vấn đề rác thải nhựa, đang bị vùi lấp trong các bãi rác và và làm ô nhiễm bãi biển. Video của Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

Giảm kim loại hơn trong quá trình tái chế nhựa “tái sử dụng nâng cao”

Rác thải nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ có thể được cho là một nguồn hóa chất gốc carbon chưa được khai thác làm nguyên liệu ban đầu cho vật liệu và nhiên liệu bền vững hữu ích. Mặc dù nguồn nguyên liệu này rất lớn trong các thùng rác, nhưng hiện nay có rất ít nhựa được tái chế, chủ yếu vì lý do kinh tế và hạn chế của kỹ thuật trên thực tế đưa vào ứng dụng. Các nhà nghiên cứu PNNL đang cố gắng thay đổi tình trạng này bằng cách áp dụng phát minh mới nhằm phá vỡ hiệu quả các liên kết hóa học bền vững của nhựa.

Quy trình thêm hydro trong một phản ứng được gọi là hydrogenolysis vào các loại nhựa khó tái chế như polypropylene và polyethylene là chiến lược đầy hứa hẹn chuyển hóa chất thải nhựa thành các hydrocacbon chuỗi nhỏ có giá trị cao hơn. Nhưng quy trình này đòi hỏi các chất xúc tác hiệu quả và có chọn lọc để trở thành khả thi về mặt kinh tế. Đây là mục đích mà mà nghiên cứu của PNNL đạt được kết quả xuất sắc.

Nhóm nhà khoa học phát hiện thấy, giảm lượng kim loại quý ruthenium thực sự giúp tăng cường hiệu quả hấp thụ và tính chọn lọc của polymer. Trong một nghiên cứu trước đây, được công bố trên tạp chí ACS Catallysis, nhóm nghiên cứu chứng minh được,  hiệu suất của phản ứng gia tăng khi tỷ lệ kim loại thấp so với cấu trúc hỗ trợ khiến cấu trúc chuyển từ một mảng có trật tự của các hạt sang các nhóm nguyên tử rối loạn.

Nguyên tử bị mắc kẹt

Một hồ sơ theo dõi chuyên môn PNNL về chất xúc tác đơn nguyên tử giúp nhóm nghiên cứu hiểu rõ, vì sao ít hơn lại hiệu quả hơn. Các nhà khoa học đã quan sát sự chuyển đổi sang rối loạn ở cấp độ phân tử, sử dụng lý thuyết được thiết lập cho thấy, các nguyên tử đơn lẻ thực sự là chất xúc tác hiệu quả hơn trong nghiên cứu thử nghiệm này.

Công trình khoa học được phát triển trên nghiên cứu về bẫy nguyên tử và chất xúc tác đơn nguyên tử của Yong Wang, GS kỹ thuật hóa học tại Đại học bang Washington, Pullman, thành viên Phòng thí nghiệm PNNL.

Tại ACS, GS Chen mô tả công trình nghiên cứu nhằm khám phá vai trò của vật liệu hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống. Nhóm nhà khoa học đã tìm kiếm các vật liệu hỗ trợ rẻ hơn và dễ sử dụng hơn thay thế cho ôxít xeri (CeO2). Nhóm nhà khoa học xác định được, oxit titan khi được biến đổi về hóa học có thể mở ra một khả năng mới chuyển hóa polypropylene có chọn lọc và hiệu quả hơn.

Nghiên cứu tác động của clo đến quy trình thủy phân

Để phương pháp chuyển hóa mới có thể đựa vào ứng dụng thực tế trong tái chế các loại rác thải nhựa hỗn hợp, các nhà khoa học đang nghiên cứu kỹ lưỡng, clo có ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả của quá trình chuyển đổi hóa học.

 Nhà hóa học Oliver Y. Gutiérrez, chuyên gia chất xúc tác trong các ứng dụng công nghiệp phân tích: Khi không có nguồn nhựa sạch, trong quy trình chiết xuất công nghiệp, có sự hiện diện clo từ polyvinylclorua và các nguồn rác thải nhựa khác. Clo có thể làm ô nhiễm phản ứng tái chế “tái sử dụng nâng cao”. Cần phải hiểu rất rõ, clo có ảnh hưởng gì đến phương pháp mới.

Công trình nghiên cứu cung cấp những hiểu biết cơ bản về quy trình sử dụng chất xúc tác để chuyển đổi nhựa phế thải, hiện đang gây ô nhiễm môi trường thành các sản phẩm giá trị cao và bền vững.