一种新开发的催化剂使一次性塑料更容易升级 回收和生物降解

研究人员创造了一种新催化剂，可将碳氢化合物转化为价值更高、更易于回收和在环境中生物降解的化学品和材料。这种催化剂可以转化机油、一次性食品袋中的塑料、水或牛奶瓶及其瓶盖，甚至天然气等材料。它是由埃姆斯国家实验室的科学家、塑料合作升级回收研究所(iCOUP)主任、爱荷华州立大学化学教授AaronSadow领导的科学家团队开发的。

新催化剂旨在将官能团引入脂肪烃中。脂肪烃是仅由氢和碳组成的有机化合物。它们通常不与水混合，而是形成不同的层，部分原因是它们不含官能团。官能团是分子内具有独特特征的特定原子组。在这些烃链中添加官能团可以极大地影响它们的性能并使材料可回收。

“天然气中的甲烷是最简单的碳氢化合物，只有碳氢(CH)键。石油和聚合物具有碳原子链，由碳碳(CC)键连接，”Sadow解释说。

脂肪烃构成了大量的石油和精炼石油产品，例如塑料和机油。这些材料“没有其他功能组，这意味着它们不容易生物降解，”Sadow说。“因此，长期以来，催化领域的目标一直是能够采用这些材料并添加其他原子，例如氧气，或者从这些简单的化学物质中构建新的结构。”

不幸的是，将原子添加到烃链的传统方法需要大量的能量输入。首先，石油在热量和压力下“裂解”成小块。接下来，这些构建块用于增长链。最后，将所需的原子添加到链的末端。在这种新方法中，现有的脂肪烃在低温下直接转化，无需裂解。

Sadow的团队之前使用催化剂来破坏这些碳氢化合物链中的CC键，同时将铝连接到较小链的末端。接下来，他们插入氧或其他原子以引入官能团。为了开发一个互补的过程，该团队找到了一种避免CC键断裂步骤的方法。

“根据起始材料的链长和产品所需的特性，我们可能希望缩短链或简单地添加氧官能团，”Sadow说。“如果我们能够避免CC裂解，原则上我们可以将链从催化剂转移到铝上，然后添加空气以安装官能团。”

Sadow解释说，这种催化剂是通过将市售的锆化合物附着在市售的二氧化硅-氧化铝上合成的。这些物质都是地球上丰富且廉价的，这有利于未来潜在的商业应用。

此外，催化剂和反应物在可持续性和成本方面具有优势。铝是地球上储量最丰富的金属，所使用的铝反应物是在不产生废副产品的情况下合成的。烷氧基锆基催化剂前体在空气中稳定，易于获得，并在反应器中活化。“因此，与许多对空气极为敏感的早期有机金属化学不同，这种催化剂前体易于处理，”Sadow说。

这种化学是朝着能够影响各种塑料的物理特性迈出的一步，例如使它们更坚固和更容易着色。“随着我们更多地开发催化作用，我们希望能够结合越来越多的官能团来影响聚合物的物理性能，”Sadow说。

Sadow将此项目的成功归功于iCOUP的协作性质。艾姆斯国家实验室的Perras小组使用核磁共振(NMR)光谱研究了催化剂结构。Coates，”LaPointe和来自康奈尔大学和阿贡国家实验室的Delferro小组研究了聚合物结构和物理特性。伊利诺伊大学的Peters小组对聚合物功能化进行了统计建模。“该中心项目的成功建立在许多小组专业知识的贡献之上”萨多说。“这项工作突出了团队科学的好处。

在美国化学学会杂志(JACS)上发表的论文“Zirconium-CatalyzedC–HAluminationofPolyolefins,Paraffins,andMethane”进一步讨论了这项研究。这项工作还被JACSSpotlight列为“一种用于制造商品化学品的多功能新工具”。