Đi tìm phương pháp tái chế thân thiện với môi trường

Chất xúc tác này cho phép chuyển đổi những vật liệu như dầu động cơ, túi nhựa dùng một lần, chai nước hoặc sữa, nắp và thậm chí cả khí tự nhiên thành các chất bền vững hơn. Chất xúc tác mới được thiết kế để bổ sung các nhóm chức năng vào hydrocacbon béo, là hợp chất hữu cơ chỉ bao gồm hydro và cacbon.

Các hydrocacbon này thường không trộn lẫn với nước và tạo thành nhiều lớp riêng biệt do thiếu các nhóm chức năng. Bằng cách kết hợp số nhóm chức năng vào các chuỗi hydrocarbon này, mọi đặc tính của vật liệu có thể được thay đổi đáng kể và cho phép tái chế nhiều hơn.

Chất xúc tác mới có thể chuyển đổi hydrocarbon - bao gồm các vật liệu như túi nhựa - thành vật liệu có thể tái chế và thân thiện với môi trường hơn.

Sadow giải thích: “Metal trong khí tự nhiên là hydrocacbon đơn giản nhất không có gì ngoài liên kết cacbon-hydro (CH). Dầu và polyme có các chuỗi nguyên tử carbon, được liên kết với nhau bằng liên kết carbon-carbon (CC). Hydrocacbon béo tạo nên rất nhiều dầu mỏ và loạt sản phẩm dầu mỏ tinh chế, chẳng hạn như nhựa và dầu động cơ”.

Sadow cũng cho biết những vật liệu này “không có các nhóm chức năng khác, có nghĩa là chúng không dễ bị phân hủy sinh học. Vì vậy, mục tiêu từ lâu trong lĩnh vực xúc tác là có thể lấy những loại vật liệu này và thêm các nguyên tử khác, chẳng hạn như oxy, hoặc xây dựng cấu trúc mới từ những hóa chất đơn giản này”. Thật không may, cách thông thường để thêm nguyên tử vào chuỗi hydrocarbon đòi hỏi đầu vào năng lượng đáng kể. Dầu mỏ đầu tiên được “bẻ khóa” bằng nhiệt và áp suất thành những khối xây dựng nhỏ.

Tiếp theo, những khối xây dựng đó được sử dụng để phát triển chuỗi. Cuối cùng, các nguyên tử mong muốn được thêm vào cuối chuỗi. Trong phương pháp mới này, hydrocacbon béo hiện có được chuyển đổi trực tiếp và không cần ở nhiệt độ thấp. Nhóm của Sadow trước đây đã sử dụng chất xúc tác để phá vỡ những liên kết CC trong các chuỗi hydrocacbon này và đồng thời gắn nhôm vào phần đầu của những chuỗi nhỏ hơn. Tiếp theo, họ chèn oxy hoặc nguyên tử khác để tạo ra các nhóm chức năng. Để phát triển một quy trình bổ sung, nhóm đã tìm ra cách để tránh bước phá vỡ liên kết CC.

Sadow bình luận: “Tùy thuộc vào độ dài chuỗi của nguyên liệu ban đầu cũng như đặc tính mong muốn của sản phẩm, chúng tôi có thể muốn rút ngắn chuỗi hoặc đơn giản là thêm nhóm chức năng oxy. Nếu chúng ta có thể tránh được sự phân tách CC, thì về nguyên tắc chúng ta có thể chỉ cần chuyển các chuỗi từ chất xúc tác sang nhôm và sau đó thêm không khí để cài đặt nhóm chức năng”.

Aaron Sadow và các đồng nghiệp lập nên iCOUP có trụ sở tại Ames với khoản tài trợ trị giá 12,8 triệu USD.

Sadow nhấn mạnh chất xúc tác được tổng hợp bằng cách gắn một hợp chất zirconium có bán trên thị trường vào silica-alumina. Số chất này đều có nhiều trên trái đất và không tốn kém - điều này có lợi cho mọi ứng dụng thương mại tiềm năng trong tương lai. Ngoài ra, chất xúc tác và chất phản ứng có lợi về tính bền vững và chi phí. Nhôm là kim loại dồi dào nhất trên trái đất và chất phản ứng nhôm được sử dụng tổng hợp mà không tạo ra sản phẩm phụ thải. Tiền chất xúc tác dựa trên zirconium alkoxide ổn định trong không khí, sẵn có và được kích hoạt trong lò phản ứng.

Sadow nói thêm: “Vì vậy, không giống như nhiều chất hóa học ban đầu cực kỳ nhạy cảm với không khí, tiền chất xúc tác này rất dễ xử lý. Hóa chất này là một bước tiến tới việc có thể tác động đến tính chất vật lý của nhiều loại nhựa, chẳng hạn như làm cho chúng bền hơn và dễ tạo màu hơn. Khi chúng tôi phát triển chất xúc tác nhiều hơn, chúng tôi hy vọng sẽ có thể kết hợp ngày càng nhiều nhóm chức năng để tác động đến các tính chất vật lý của polyme”.

Sadow cho rằng sự thành công của dự án này nhờ vào sự hợp tác của iCOUP. Nhóm của Perras tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames nghiên cứu cấu trúc chất xúc tác bằng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Các nhóm của Coates, LaPointe và Delferro từ Đại học Cornell và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne nghiên cứu cấu trúc và tính chất vật lý của polyme. Và nhóm của Peters tại Đại học Illinois mô hình hóa chức năng polyme theo mô hình thống kê. Sadow kết luận: “Thành công của dự án ở trung tâm được xây dựng dựa trên sự đóng góp chuyên môn của nhiều nhóm. Công việc này nêu bật những lợi ích của khoa học nhóm”.

Duy Minh (Tổng hợp)