22 de agosto de 2022 (Notícias do Nanowerk) Uma inovação de reciclagem de plásticos que faz mais com menos, simultaneamente aumenta a conversão em produtos úteis e usa menos rutênio, um metal precioso. “A principal descoberta que relatamos é a carga de metal muito baixa”, disse o químico do Pacific Northwest National Laboratory Janos Szanyi, que liderou a equipe de pesquisa. “Isso torna o catalisador muito mais barato.” O novo método converte plásticos em produtos químicos valiosos com mais eficiência – um processo chamado “upcycling”. Além disso, produz muito menos metano, um gás de efeito estufa indesejável, como subproduto, em comparação com outros métodos relatados. “Foi muito interessante para nós que não houvesse nada publicado anteriormente mostrando esse resultado”, disse o pesquisador de pós-doutorado Linxiao Chen. “Esta pesquisa mostra a oportunidade de desenvolver catalisadores eficazes, seletivos e versáteis para o upcycling de plástico.” Os resíduos plásticos podem um dia ser reciclados em produtos químicos úteis em vez de acabar no meio ambiente. (Imagem: Cortland Johnson, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico)

Menos metal é mais no upcycling de plástico

Os resíduos plásticos à base de petróleo apresentam uma fonte inexplorada de produtos químicos à base de carbono que podem servir como material de partida para materiais e combustíveis duráveis ​​úteis. Atualmente, muito pouco plástico é reciclado, principalmente por razões econômicas e práticas. Mas os cientistas do PNNL estão tentando mudar a dinâmica aplicando seus conhecimentos na quebra eficiente de ligações químicas. É bem conhecido que a adição de hidrogênio – uma reação conhecida como hidrogenólise – a plásticos difíceis de reciclar, como polipropileno e polietileno, apresenta uma estratégia promissora para converter resíduos plásticos em pequenos hidrocarbonetos de valor agregado. Este processo requer catalisadores eficientes e seletivos para torná-lo economicamente viável. É aí que esta recente pesquisa liderada pelo PNNL se destacou. A equipe de pesquisa descobriu que a redução da quantidade do metal precioso rutênio realmente melhorou a eficiência e a seletividade do upcycling do polímero. Em um estudo publicado recentemente em Catalisa ACS (“Estruturas de Ru sub-nanômetros desordenadas em CeO2 são catalisadores altamente eficientes e seletivos na reciclagem de polímeros por hidrogenólise”), eles mostraram que a melhoria na eficiência aconteceu quando a baixa proporção de metal para estrutura de suporte fez com que a estrutura mudasse de um arranjo ordenado de partículas para jangadas desordenadas de átomos.

Átomos presos

Um histórico de experiência do PNNL em catalisadores de átomo único ajudou a equipe a entender por que menos é mais. A equipe de pesquisa observou a transição para a desordem no nível molecular e, em seguida, usou a teoria estabelecida para mostrar que átomos únicos são realmente catalisadores mais eficazes neste trabalho experimental. O trabalho baseia-se na pesquisa em aprisionamento de átomos e catalisadores de átomo único por Yong Wang, professor de engenharia química da Washington State University, Pullman, e bolsista do PNNL Laboratory. “Houve muito esforço do ponto de vista material para tentar entender como átomos únicos ou aglomerados muito pequenos podem produzir catalisadores eficazes”, disse Gutiérrez. Chen também descreveu um novo trabalho que explora o papel do material de apoio na melhoria da eficiência do sistema. “Investigamos materiais de suporte mais baratos e mais facilmente disponíveis para substituir o óxido de cério”, disse Chen. “Descobrimos que um óxido de titânio quimicamente modificado pode permitir um caminho mais eficaz e seletivo para o upcycling de polipropileno”.

Aprendendo a tolerar o cloro

Para tornar o método prático para uso com fluxos mistos de reciclagem de plástico, a equipe de pesquisa agora está explorando como a presença de cloro afeta a eficiência da conversão química. “Estamos analisando condições de extração mais exigentes”, disse o químico Oliver Y. Gutiérrez, especialista em aplicações industriais para catálise. “Quando você não tem uma fonte de plástico limpa, em um processo de upcycling industrial, você tem cloro de policloreto de vinila e outras fontes. O cloro pode contaminar a reação de reciclagem do plástico. Queremos entender qual efeito o cloro tem em nosso sistema.” Agora, esse entendimento fundamental pode ajudar a converter resíduos de plástico que normalmente acabariam como poluição no meio ambiente em produtos úteis.