Lộ trình mới biến nhựa có thể tái chế về mặt hóa học

Khi gánh nặng rác thải bằng cao su và nhựa của hành tinh tăng lên không suy giảm, các nhà khoa học ngày càng hướng đến lời hứa tái chế theo chu trình khép kín để giảm thiểu rác thải. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Khoa Hóa học của Princeton thông báo về việc phát hiện ra một phân tử polybutadiene mới – từ một vật liệu được biết đến trong hơn một thế kỷ và được sử dụng để sản xuất các sản phẩm phổ biến như lốp xe và giày – một ngày nào đó có thể đạt được mục tiêu này thông qua quá trình khử trùng hợp.

Phòng thí nghiệm Chirik báo cáo trên tạp chí Nature Chemistry rằng trong quá trình trùng hợp phân tử, được đặt tên (1, n’-divinyl) oligocyclobutan, bao bọc trong một chuỗi hình vuông lặp lại, một cấu trúc vi mô chưa được thực hiện trước đây cho phép quá trình quay ngược lại hoặc khử trùng hợp, trong một số điều kiện nhất định .

Nói cách khác, butadien có thể được “nén” để tạo ra một polyme mới; polyme đó sau đó có thể được giải nén trở lại thành monomer nguyên sinh để tái sử dụng.

Nghiên cứu vẫn đang ở giai đoạn đầu và các thuộc tính hiệu suất của vật liệu vẫn chưa được khám phá kỹ lưỡng. Nhưng phòng thí nghiệm Chirik đã cung cấp một tiền lệ khái niệm cho một sự biến đổi hóa học thường không được cho là thực tế đối với một số vật liệu hàng hóa nhất định.

Trước đây, quá trình khử trùng hợp đã được thực hiện bằng các polyme chuyên dụng hoặc thích hợp đắt tiền và chỉ sau nhiều bước, nhưng chưa bao giờ từ một nguyên liệu thô phổ biến như nguyên liệu được sử dụng để sản xuất polybutadiene, một trong bảy loại hóa dầu chính hàng đầu trên thế giới. Butadien là một hợp chất hữu cơ dồi dào và là sản phẩm phụ chính của quá trình phát triển nhiên liệu hóa thạch. Nó được sử dụng để sản xuất cao su tổng hợp và các sản phẩm nhựa.

Alex E. Carpenter, một nhà hóa học nhân viên của ExxonMobil Chemical, một cộng tác viên trong nghiên cứu, cho biết: “Để lấy một chất hóa học thực sự phổ biến mà mọi người đã nghiên cứu và trùng hợp trong nhiều thập kỷ và tạo ra một vật liệu cơ bản mới từ nó – hãy để một mình vật liệu đó có những đặc tính bẩm sinh thú vị – không chỉ là điều bất ngờ mà còn thực sự là một bước tiến lớn.”

“Trọng tâm của sự hợp tác này đối với chúng tôi là phát triển các vật liệu mới có lợi cho xã hội bằng cách tập trung vào một số phân tử mới mà [nhà hóa học Princeton] Paul Chirk đã phát hiện ra có khả năng biến đổi khá tốt,” Carpenter nói thêm.

“Nhân loại rất giỏi trong việc tạo ra butadien. Thật tuyệt khi bạn có thể tìm thấy những ứng dụng hữu ích khác cho phân tử này, bởi vì chúng ta có rất nhiều thứ.”

Xúc tác với sắt

Phòng thí nghiệm Chirik khám phá hóa học bền vững bằng cách nghiên cứu việc sử dụng sắt – một nguyên liệu tự nhiên dồi dào khác – làm chất xúc tác để tổng hợp các phân tử mới. Trong nghiên cứu cụ thể này, chất xúc tác sắt kích hoạt các monome butadien lại với nhau để tạo ra oligocyclobutan. Nhưng nó làm như vậy trong một mô típ cấu trúc hình vuông rất khác thường. Thông thường, enchainment xảy ra với cấu trúc hình chữ S thường được mô tả là trông giống như mì spaghetti.

Sau đó, để ảnh hưởng đến quá trình khử phân tử, oligocyclobutan được tiếp xúc với chân không với sự có mặt của chất xúc tác sắt, điều này sẽ đảo ngược quá trình và thu hồi monome. Bài báo của phòng thí nghiệm Chirik, “Tổng hợp xúc tác sắt và tái chế hóa học của Telechelic, 1,3-Enchained Oligocyclobutanes”, xác định đây là một ví dụ hiếm hoi về tái chế hóa chất vòng kín.

Vật liệu này cũng có những đặc tính hấp dẫn như Megan Mohadjer Beromi. Ví dụ, nó là telechelic, có nghĩa là chuỗi được chức năng hóa ở cả hai đầu. Thuộc tính này có thể cho phép nó được sử dụng như một khối xây dựng theo đúng nghĩa của nó, phục vụ như một cầu nối giữa các phân tử khác trong một chuỗi polyme. Ngoài ra, nó ổn định về nhiệt, có nghĩa là nó có thể được làm nóng lên trên 250 độ C mà không bị phân hủy nhanh chóng.

Cuối cùng, nó thể hiện độ kết tinh cao, ngay cả ở trọng lượng phân tử thấp là 1.000 gam / mol (g / mol). Điều này có thể chỉ ra rằng các đặc tính vật lý mong muốn – như độ kết tinh và độ bền của vật liệu – có thể đạt được ở trọng lượng thấp hơn so với giả định chung. Ví dụ, polyetylen được sử dụng trong túi mua sắm bằng nhựa trung bình có trọng lượng phân tử là 500.000g / mol.

Chirik, Giáo sư Hóa học Edwards S. Sanford của Princeton cho biết thêm: “Một trong những điều chúng tôi chứng minh trong bài báo là bạn có thể tạo ra những vật liệu thực sự cứng cáp từ monome này. “Năng lượng giữa polyme và monome có thể gần nhau, và bạn có thể tiến lùi, nhưng điều đó không có nghĩa là polyme phải yếu. Bản thân polyme đã mạnh.”

“Những gì mọi người có xu hướng cho rằng khi chúng ta có một polyme có thể tái chế về mặt hóa học, thì nó phải bằng cách nào đó vốn đã yếu hoặc không bền. Chúng tôi đã tạo ra một thứ thực sự, rất cứng nhưng cũng có thể tái chế về mặt hóa học. Chúng ta có thể lấy lại monomer tinh khiết của nó. Và điều đó làm tôi ngạc nhiên. Nó không được tối ưu hóa. Nhưng nó ở đó. Hóa chất sạch.”

“Tôi thực sự nghĩ rằng công việc này là một trong những thứ quan trọng nhất từng xuất hiện trong phòng thí nghiệm của tôi.”

Loại bỏ ethylene

Dự án kéo dài vài năm đến năm 2017, khi C. Rose Kennedy, khi đó là một postdoc trong phòng thí nghiệm Chirik, nhận thấy một chất lỏng nhớt tích tụ ở đáy bình trong một phản ứng. Kennedy cho biết cô đang mong đợi một cái gì đó dễ bay hơi sẽ hình thành, vì vậy kết quả đã thúc đẩy sự tò mò của cô. Đào sâu vào phản ứng, cô phát hiện ra sự phân bố các oligomer – hoặc các sản phẩm không bay hơi có trọng lượng phân tử thấp – cho thấy quá trình trùng hợp đã diễn ra.

Kennedy, giáo sư hóa học tại Đại học Rochester, hiện là trợ lý cho biết: “Biết những gì chúng tôi đã biết về cơ chế này, chúng tôi đã biết ngay lập tức làm thế nào để có thể kích chúng lại với nhau theo một cách khác hoặc liên tục.”

Vào thời điểm ban đầu đó, Kennedy đang bao bọc butadien và ethylene. Chính Mohadjer Beromi sau này đã phỏng đoán rằng có thể loại bỏ hoàn toàn ethylene và chỉ sử dụng butadiene gọn gàng ở nhiệt độ cao. Mohadjer Beromi đã “cho” butadien bốn cacbon vào chất xúc tác sắt, và điều đó tạo ra polyme hình vuông mới.

Mohadjer Beromi cho biết: “Chúng tôi biết rằng họa tiết có xu hướng được tái chế về mặt hóa học. “Nhưng tôi nghĩ một trong những tính năng mới và thực sự thú vị của chất xúc tác sắt là nó có thể thực hiện [2 + 2] sự thay đổi tuần hoàn giữa hai diene và đó là phản ứng cơ bản của phản ứng này: đó là một sự thay đổi tuần hoàn trong đó bạn liên kết hai olefin với nhau để tạo ra một phân tử hình vuông lặp đi lặp lại.

“Đó là điều tuyệt vời nhất mà tôi từng làm trong đời.”

Để mô tả thêm đặc tính của oligocyclobutan và hiểu các đặc tính hoạt động của nó, phân tử cần được thu nhỏ và nghiên cứu tại một cơ sở lớn hơn với chuyên môn về vật liệu mới.

“Làm thế nào để bạn biết những gì bạn đã làm?” Chirik hỏi. “Chúng tôi đã sử dụng một số công cụ bình thường mà chúng tôi có ở Frick. Nhưng điều thực sự quan trọng là tính chất vật lý của vật liệu này và cuối cùng là chuỗi trông như thế nào.”

Vì vậy, Chirik đã đến Baytown, Texas vào năm ngoái để trình bày những phát hiện của phòng thí nghiệm cho ExxonMobil, công ty đã quyết định hỗ trợ công việc này. Một nhóm các nhà khoa học tổng hợp từ Baytown đã tham gia vào mô hình tính toán, công việc tán xạ tia X để xác nhận cấu trúc và các nghiên cứu mô tả bổ sung.

Tái chế 101

Ngành công nghiệp hóa chất sử dụng một số lượng nhỏ các khối xây dựng để sản xuất hầu hết nhựa và cao su hàng hóa. Ba ví dụ như vậy là ethylene, propylene và butadiene. Một thách thức lớn của việc tái chế những vật liệu này là chúng thường cần được kết hợp và sau đó được củng cố với các chất phụ gia khác để tạo ra nhựa và cao su: các chất phụ gia cung cấp các đặc tính hiệu suất mà chúng ta muốn – ví dụ như độ cứng của nắp kem đánh răng hoặc độ nhẹ của một túi hàng tạp hóa. Những “thành phần” này đều phải được tách ra một lần nữa trong quá trình tái chế.

Nhưng các bước hóa học liên quan đến quá trình phân tách đó và đầu vào của năng lượng cần thiết để thực hiện điều này khiến việc tái chế trở nên vô cùng tốn kém, đặc biệt là đối với nhựa sử dụng một lần. Nhựa rẻ, nhẹ và tiện lợi, nhưng nó không được thiết kế để vứt bỏ, đó là vấn đề chính.

Như một giải pháp thay thế khả thi, nghiên cứu của Chirik chứng minh rằng polyme butadien gần như ngang bằng về mặt năng lượng với monome, điều này khiến nó trở thành một ứng cử viên cho việc tái chế hóa học vòng kín.

Các nhà hóa học ví quá trình sản xuất một sản phẩm từ nguyên liệu thô là việc lăn một tảng đá lên đồi, với đỉnh đồi là trạng thái chuyển tiếp. Từ trạng thái đó, chúng ta lăn tảng đá xuống phía bên kia và kết thúc với một sản phẩm. Nhưng với hầu hết các loại nhựa, năng lượng và chi phí để lăn tảng đá đó ngược lên đồi để phục hồi monomer thô của nó là đáng kinh ngạc và do đó không thực tế. Vì vậy, hầu hết các túi nhựa và các sản phẩm cao su và vật cản ô tô cuối cùng đều được đưa vào các bãi chôn lấp.

Kennedy cho biết: “Điều thú vị về phản ứng gắn một đơn vị butadien này vào phản ứng tiếp theo là ‘điểm đến’ chỉ có năng lượng thấp hơn một chút so với nguyên liệu ban đầu. “Đó là những gì làm cho nó có thể quay trở lại theo hướng khác.”

Trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo, Chirik cho biết phòng thí nghiệm của ông sẽ tập trung vào enchainment, mà tại thời điểm này các nhà hóa học chỉ đạt được trung bình tối đa 17 đơn vị. Ở độ dài chuỗi đó, vật liệu trở nên kết tinh và không hòa tan đến mức rơi ra khỏi hỗn hợp phản ứng.

Chirik nói: “Chúng ta phải học cách làm gì với điều đó. “Chúng tôi bị giới hạn bởi sức mạnh của chính nó. Tôi muốn thấy trọng lượng phân tử cao hơn.”

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn hào hứng với triển vọng của oligocyclobutane và nhiều cuộc điều tra được lên kế hoạch trong sự hợp tác liên tục này nhằm hướng tới các vật liệu có thể tái chế về mặt hóa học.

Bộ vật liệu hiện tại mà chúng ta có ngày nay không cho phép chúng ta có các giải pháp thích hợp cho tất cả các vấn đề mà chúng ta đang cố gắng giải quyết. Niềm tin rằng, nếu chúng ta làm khoa học tốt và chúng ta xuất bản trên các tạp chí được bình duyệt và chúng ta làm việc với các nhà khoa học đẳng cấp thế giới như Paul, thì điều đó sẽ cho phép các nhà khoa học giải quyết các vấn đề quan trọng theo cách xây dựng.

Đây là việc hiểu về hóa học thực sự thú vị và cố gắng làm điều gì đó tốt với nó.

Nguồn truyện:

Tài liệu do Đại học Princeton cung cấp . Bản gốc do Wendy Plump viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Megan Mohadjer Beromi, C. Rose Kennedy, Jarod M. Younker, Alex E. Carpenter, Sarah J. Mattler, Joseph A. Throckmorton, Paul J. Chirik. Tổng hợp được xúc tác bằng sắt và tái chế hóa học của các oligocyclobutan được tráng men telechelic 1,3 . Hóa học Tự nhiên , 2021; DOI: 10.1038 / s41557-020-00614-w