Un catalizador único abre el camino al reciclaje de plásticos
Un catalizador recientemente desarrollado para descomponer plásticos sigue avanzando en los procesos de reciclaje de plásticos. En 2020, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Ames desarrolló el primer catalizador inorgánico procesado para deconstruir plásticos de poliolefina en moléculas que pueden utilizarse para crear productos más valiosos. Ahora, el equipo ha desarrollado y validado una estrategia para acelerar la transformación sin sacrificar los productos deseables.
Visual de dos variaciones del catalizador, con un segmento de la cáscara eliminado para mostrar el interior. La esfera blanca representa la cubierta de sílice, los agujeros son los poros. Las esferas verdes brillantes representan los sitios catalíticos, los de la izquierda son mucho más pequeños que los de la derecha. Las cadenas rojas más largas representan las cadenas de polímeros, y las más cortas son los productos después de la catálisis. Todas las cadenas más cortas tienen un tamaño similar, lo que representa una selectividad consistente a través de las variaciones del catalizador. Además, hay más cadenas pequeñas producidas por los sitios más pequeños del catalizador porque la reacción ocurre más rápidamente.
Image courtesy of Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy
El catalizador fue diseñado originalmente por Wenyu Huang, científico del Laboratorio Ames. Consiste en partículas de platino apoyadas en un núcleo de sílice sólido y rodeadas por una cubierta de sílice con poros uniformes que dan acceso a los sitios catalíticos. La cantidad total de platino que se necesita es bastante pequeña, lo que es importante debido al alto coste del platino y a su suministro limitado. Durante los experimentos de deconstrucción, las largas cadenas de polímero se enhebran en los poros y entran en contacto con los sitios catalíticos, y luego las cadenas se rompen en trozos de menor tamaño que ya no son material plástico.
Aaron Sadow, científico del laboratorio Ames y director del Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), explicó que el equipo elaboró tres variaciones del catalizador. Cada variación tenía núcleos y carcasas porosas de idéntico tamaño, pero diferentes diámetros de las partículas de platino, de 1,7 a 2,9 y 5,0 nm.
El equipo planteó la hipótesis de que las diferencias en el tamaño de las partículas de platino afectarían a las longitudes de las cadenas del producto, de modo que las partículas de platino grandes formarían cadenas más largas y las pequeñas, cadenas más cortas. Sin embargo, el grupo descubrió que las longitudes de las cadenas de producto eran del mismo tamaño en los tres catalizadores.
"En la literatura, la selectividad para las reacciones de escisión del enlace carbono-carbono suele variar con el tamaño de las nanopartículas de platino. Al colocar el platino en el fondo de los poros, vimos algo bastante singular", dijo Sadow.
En cambio, la velocidad a la que se rompían las cadenas en moléculas más pequeñas era diferente para los tres catalizadores. Las partículas de platino más grandes reaccionaban con la cadena larga de polímero más lentamente, mientras que las más pequeñas lo hacían más rápidamente. Esta mayor velocidad podría deberse al mayor porcentaje de sitios de platino en los bordes y esquinas de la superficie de las nanopartículas más pequeñas. Estos sitios son más activos a la hora de escindir la cadena polimérica que el platino situado en las caras de las partículas.
Según Sadow, los resultados son importantes porque demuestran que la actividad puede ajustarse independientemente de la selectividad en estas reacciones. "Ahora, estamos seguros de que podemos hacer un catalizador más activo que mastique el polímero aún más rápido, al tiempo que utilizamos los parámetros estructurales del catalizador para marcar longitudes específicas de la cadena del producto", dijo.
Huang explicó que este tipo de reactividad de moléculas más grandes en catalizadores porosos en general no se ha estudiado mucho. Por ello, la investigación es importante para comprender los fundamentos científicos y su rendimiento en el reciclaje de plásticos.
"Tenemos que seguir comprendiendo el sistema porque seguimos aprendiendo cosas nuevas cada día. Estamos explorando otros parámetros que podemos ajustar para aumentar la tasa de producción y cambiar la distribución del producto", dijo Huang. "Así que hay muchas cosas nuevas en nuestra lista esperando que las descubramos".
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