Visuel de deux variantes du catalyseur, avec un segment de l’enveloppe enlevé pour montrer l’intérieur. La sphère blanche représente l’enveloppe de silice, les trous sont les pores. Les sphères vertes brillantes représentent les sites catalytiques, celles de gauche sont beaucoup plus petites que celles de droite. Les chaînes rouges les plus longues représentent les chaînes de polymère, et les chaînes plus courtes sont les produits après catalyse. Toutes les chaînes plus courtes sont de taille similaire, ce qui représente la sélectivité constante à travers les variations du catalyseur. De plus, il y a plus de petites chaînes produites par les petits sites catalytiques car la réaction se produit plus rapidement. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation du Laboratoire national d’Argonne, Département américain de l’énergie.
Un catalyseur récemment mis au point pour décomposer les plastiques permet de faire progresser les technologies de recyclage des plastiques. Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs du laboratoire Ames a découvert le catalyseur le plus récent. premier catalyseur inorganique de processus en 2020 pour déconstruire les plastiques polyoléfines en molécules pouvant être utilisées pour créer des produits plus précieux. L’équipe a maintenant développé et validé une stratégie pour accélérer la transformation sans sacrifier les produits souhaités.
Le catalyseur a été initialement conçu par Wenyu Huang, un scientifique du laboratoire Ames. Il se compose de particules de platine supportées par un noyau de silice solide et entourées d’une enveloppe de silice aux pores uniformes qui donnent accès aux sites catalytiques. La quantité totale de platine nécessaire est très faible, ce qui est important en raison du coût élevé du platine et de son approvisionnement limité. Lors des expériences de déconstruction, les longues chaînes de polymère s’enfilent dans les pores et entrent en contact avec les sites catalytiques, puis les chaînes sont brisées en morceaux de plus petite taille qui ne sont plus des matières plastiques (voir l’image ci-dessus pour plus de détails).
Selon Aaron Sadow, un scientifique du laboratoire Ames et directeur de l’équipe de recherche de l’Institut de recherche de l’Université d’Ottawa. Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP).l’équipe a créé trois variantes du catalyseur. Chaque variation présentait des noyaux et des enveloppes poreuses de taille identique, mais des particules de platine de diamètres différents, de 1,7 à 2,9 et 5,0 nm.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les différences de taille des particules de platine affecteraient la longueur des chaînes de produits, de sorte que les grandes particules de platine produiraient des chaînes plus longues et les petites des chaînes plus courtes. Cependant, l’équipe a découvert que les longueurs des chaînes de produits étaient de la même taille pour les trois catalyseurs.
“Dans la littérature, la sélectivité des réactions de clivage des liaisons carbone-carbone varie généralement avec la taille des nanoparticules de platine. En plaçant le platine au fond des pores, nous avons vu quelque chose de tout à fait unique”, a déclaré Sadow.
Au contraire, la vitesse à laquelle les chaînes étaient brisées en molécules plus petites était différente pour les trois catalyseurs. Les plus grosses particules de platine ont réagi plus lentement avec la longue chaîne de polymère, tandis que les plus petites ont réagi plus rapidement. Cette vitesse accrue pourrait résulter du pourcentage plus élevé de sites de platine en bordure et en coin sur les surfaces des nanoparticules plus petites. Ces sites sont plus actifs dans le clivage de la chaîne polymère que le platine situé dans les faces des particules.
Selon Sadow, ces résultats sont importants car ils montrent que l’activité peut être ajustée indépendamment de la sélectivité dans ces réactions. “Nous sommes désormais convaincus que nous pouvons fabriquer un catalyseur plus actif qui absorberait le polymère encore plus rapidement, tout en utilisant les paramètres structurels du catalyseur pour régler des longueurs de chaîne de produit spécifiques”, a-t-il déclaré.
Huang a expliqué que ce type de réactivité des grosses molécules dans les catalyseurs poreux en général n’est pas largement étudié. Cette recherche est donc importante pour comprendre la science fondamentale ainsi que les performances de ces catalyseurs pour le recyclage des plastiques.
“Nous avons vraiment besoin de mieux comprendre le système, car nous apprenons encore de nouvelles choses chaque jour. Nous explorons d’autres paramètres que nous pouvons régler pour augmenter davantage le taux de production et modifier la distribution du produit”, a déclaré M. Huang. “Il y a donc beaucoup de nouvelles choses dans notre liste qui attendent d’être découvertes”.
Référence : “Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins” par Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Anne M. LaPointe, Andreas Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow et Wenyu Huang, 23 février 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI : 10.1021/jacs.1c11694
La recherche a étémenée par l’Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), dirigé par l’Ames Laboratory. iCOUP est un Energy Frontier Research Center composé de scientifiques de l’Ames Laboratory, de l’Argonne National Laboratory, de l’UC Santa Barbara, de l’Université de Caroline du Sud et de l’Université Cornell, Northwestern Universityet de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign.
