分解塑料的獨特催化劑

編譯 希區客

正在分解塑料的催化劑的示意圖。白色球殼代表介孔二氧化硅殼，上面分布著大小均一的孔隙。內核上的小球體代表催化位點，左側那些小球體的尺寸比右側的小得多，代表鉑納米顆粒的大小差異。較長的細條代表催化前的聚合物長鏈，較短的細條是催化后的產物。所有較短細條在尺寸上都差不多，意味著不同型號催化劑的選擇性是一致的。較小的催化劑位點則產生了更多的短細條，它們的催化速率更快

2020年，美國能源部下屬的艾姆斯實驗室發現了第一種可能化塑為寶的進行性無機催化劑。該催化劑能將聚烯烴塑料的長鏈分解為較短分子，后者有望用于制造更具價值的產品，實現塑料廢物的循環利用。催化劑的設計團隊由該實驗室催化化學家黃文裕等領銜。

近期，該團隊又發表論文，詳細介紹了他們的催化劑體系，及其對塑料循環的巨大潛力。

催化劑的結構是這樣的：鉑納米顆粒組成催化核心，被介孔二氧化硅包裹，形成核殼結構，另有二氧化硅球支撐此結構。所需的鉑總量非常少——這一點很關鍵，因為鉑成本極高且供應有限。在分解塑料的過程中，聚合物長鏈通過殼層上尺寸均一的孔隙進入核心區，并接觸催化位點，從而被分解為短鏈片段。原來的塑料變成了具備再利用潛質的某種“二次原料”。

艾姆斯實驗室的科學家、塑料合作升級循環研究所（iCOUP）主任亞倫·薩多（Aaron Sadow）表示，黃文裕團隊制作了3種型號的催化劑，每個型號的核心及多孔殼層都有著相同尺寸，但組成核心的鉑顆粒的直徑各異，分別為1.7 nm、2.9 nm、5.0 nm。

研究人員起初判斷鉑顆粒大小的差異會影響分解產物的鏈長度，更大的鉑顆粒會催化得到更長的短鏈，不過最終發現，每種型號的催化產物都有著相同的鏈長度。

薩多表示：“以往文獻告訴我們，碳-碳鍵斷裂反應的選擇性通常隨鉑納米粒子尺寸的變化而變化。但在這個核殼結構中，我們看到了一些非常獨特的情況。”

另一方面，長鏈斷裂成短鏈的速率，即分解速率，因鉑顆粒大小而異：較大鉑顆粒與聚合物長鏈的反應更慢，較小鉑顆粒則催化活性更強。

用薩多的話說，上述結果很關鍵，因為它們意味著研究者能在不影響反應選擇性的情況下調節催化活性。“現在，我們相信自己能制備出活性更強的催化劑，更快拆解聚合物，同時也能通過改變催化劑結構參數來調整分解產物的鏈長度。”

黃文裕解釋道，多孔催化劑的大分子反應性尚未得到廣泛研究。鑒于此，新成果對于我們理解這門獨特催化技術的基本原理及其對塑料循環的意義是非常重要的。“我們需要進一步了解這個催化體系。我們正探索其他可調整的參數，以期進一步提高生產率并改善產品分布。”

資料來源 scitechdaily.com