22.10.2020 - Ames Laboratory

Erster Katalysator seiner Art ahmt natürliche Prozesse zum Abbau von Kunststoffen nach

Neuer Katalysator ist in der Lage, Polymere zu verarbeiten, die in Dingen wie Plastikbeuteln, Milchtüten, Shampooflaschen, Spielzeug und Lebensmittelbehältern weit verbreitet sind

Kunststoffrecycling ist zwar keine neue Wissenschaft, aber durch die derzeitigen Verfahren lohnt es sich wirtschaftlich nicht - Altkunststoffe werden zu minderwertigem, weniger nützlichem Material "heruntergezählt". Dies ist eine Herausforderung, die weiterhin ein Hindernis bei der Bewältigung einer wachsenden globalen Verschmutzungskrise bei Einwegkunststoffen darstellt.

Ein institutionenübergreifendes Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Ames-Labors des US-Energieministeriums hat einen einzigartigen Katalysator entwickelt, der in der Lage ist, Polyolefin-Kunststoffe wie Polyethylen und Polypropylen zu verarbeiten, Polymere, die in Dingen wie Einkaufstüten, Milchtüten, Shampoo-Flaschen, Spielzeug und Lebensmittelbehältern weit verbreitet sind. Das Verfahren führt zu gleichförmigen, hochwertigen Komponenten, die zur Herstellung von Kraftstoffen, Lösungsmitteln und Schmierölen verwendet werden können - Produkte, die einen hohen Wert haben und diese und andere gebrauchte Kunststoffe potenziell in eine unerschlossene Ressource verwandeln könnten.

"Wir haben mit dieser Arbeit einen großen Schritt vorwärts gemacht", sagte Aaron Sadow, Wissenschaftler am Ames Laboratory und Direktor des Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP). "Wir stellten die Hypothese auf, dass wir Anleihen bei der Natur nehmen und die Prozesse nachahmen könnten, durch die Enzyme Makromoleküle wie Proteine und Zellulose präzise auseinander brechen. Das ist uns gelungen, und wir freuen uns darauf, diesen Prozess zu optimieren und weiterzuentwickeln.

Das einzigartige Verfahren beruht auf der Nanopartikeltechnologie. Die Ames-Lab-Wissenschaftlerin Wenyu Huang entwarf ein mesoporöses Siliciumdioxid-Nanopartikel, das aus einem Kern aus Platin mit katalytisch aktiven Stellen besteht, umgeben von langen Siliciumdioxid-Poren oder Kanälen, durch die sich die langen Polymerketten bis zum Katalysator durchziehen. Mit diesem Design ist der Katalysator in der Lage, die längeren Polymerketten festzuhalten und sie in konsistente, gleichmäßige, kürzere Stücke zu spalten, die das größte Potenzial haben, zu neuen, nützlicheren Endprodukten hochgeladen zu werden.

"Diese Art von kontrolliertem Katalyseprozess wurde noch nie zuvor auf der Grundlage anorganischer Materialien entwickelt", so Huang, der sich auf das Design strukturell gut definierter Nano-Katalysatoren spezialisiert hat. "Wir konnten zeigen, dass der katalytische Prozess in der Lage ist, mehrere identische Zersetzungsschritte am selben Molekül durchzuführen, bevor es freigesetzt wird.

Die Messungen des Festkörper-NMR-Experten des Ames-Labors, Fred Perras, ermöglichten es dem Team, die Aktivität des Katalysators auf atomarer Ebene zu untersuchen, und bestätigten, dass die langen Polymerketten sich leicht durch die Katalysatorporen bewegen, und zwar auf eine Weise, die den enzymatischen Prozessen ähnelt, die die Wissenschaftler nachahmen wollten.

Diese Forschung wird unter der Leitung des Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), das vom Ames Laboratory geleitet wird, ausgeweitet und fortgesetzt. iCOUP ist ein Energy Frontier Research Center, das sich aus Wissenschaftlern des Ames Laboratory, des Argonne National Laboratory, der UC Santa Barbara, der University of South Carolina, der Cornell University, der Northwestern University und der University of Illinois Urbana-Champaign zusammensetzt.

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