Denník N

Vyvinuli katalyzátor, ktorý premení odpad na palivo

Plasty. Foto N - Tomáš Benedikovič
Plasty. Foto N – Tomáš Benedikovič

Vedci vyvinuli metódu, pomocou ktorej sa dá z odpadového plastu pripraviť diesel.

Polyetylén je termoplast, ktorého sa ročne vyprodukuje vyše 60 miliónov ton. Spomedzi všetkých syntetických materiálov ho vyrobíme najviac na svete.

Používa sa v hračkách, tetrapakoch, súčiastkach mnohých prístrojov, v umelých kĺboch či ako potravinárske a bublinkové fólie. Aj preto tvorí polyetylén až 60 percent materiálu, ktorý končí na skládkach odpadu.

Polyetylén, ako naznačuje názov, sa skladá zo vzájomne poskladaných kópií etylénu (eténu). Pripravuje sa polymerizáciou (chemická reakcia) plynného eténu. Ako katalyzátory sa často používajú zlúčeniny s obsahom chrómu.

Tieto katalyzátory vzájomne spájajú molekuly etylénu do dlhých reťazcov – môžu byť rôzne rozvetvené alebo vzájomne pospájané. Všetky tieto prepojenia zvyšujú výslednú odolnosť polyetylénu, ktorý je vďaka nim veľmi pevný, prieťažný (schopnosť meniť dĺžku) a odolný aj proti niektorým kyselinám a väčšine polárnych rozpúšťadiel.

Pre svoju vysokú odolnosť znečisťuje nielen súš, ale aj moria. Preto sa mnohé výskumné skupiny po celom svete snažia nájsť spôsob, ako tieto plasty rozložiť na iné, spracovateľnejšie materiály.

Tímu vedcov zo Šanghajského inštitútu organokovovej chémie a Kalifornskej univerzity sa podarilo vyvinúť metódu na rozklad polyetylénov, ktorého výsledkom sú tekuté palivá alebo vosky. Štúdiu publikovali vo vedeckom žurnále Science Advances.

Irídium a rénium

Na rozloženie polyetylénu, ktorý je inak chemicky veľmi odolný, použili vedci kombináciu dvoch katalyzátorov na báze irídia (Ir) a rénia (Re). Tieto dva ťažké kovy dlhé reťazce polyetylénu najprv oslabili a následne rozštiepili. 

Proces oslabenia predstavuje takzvaná dehydrogenácia, teda odobratie vodíka. Irídiový katalyzátor odoberie z reťazca vodíky, vďaka čomu uhlíky, ktoré tak ostali s elektrónmi navyše, vytvoria medzi sebou na viacerých miestach reťazca dvojité väzby.

Dvojité väzby v reťazci vedci využili na rozstrihnutie dlhých reťazcov na kratšie úseky. Možné je to vďaka použitiu druhého katalyzátora, ktorý obsahuje rénium. Ten rozpojil dlhý reťazec práve v mieste výskytu násobnej väzby a pripojil k nemu kratšiu molekulu. Výsledkom boli fragmenty dlhé iba niekoľko uhlíkov, okolo 10 až 12.

Takéto dlhé alkény stále obsahovali dvojitú väzbu. Tá sa však pomocou prvého irídiového katalyzátora spätne zredukovala (katalyzátor do týchto kratších molekúl vrátil atómy vodíka, ktoré si „požičal“ z pôvodného polyetylénového reťazca) a vznikli tak krátke a stredne dlhé alkánové molekuly. Tie predstavujú ideálnu zmes  napríklad pre diesel.

Od plastu k palivu za pomoci dvoch katalyzátorov. Foto – Tasr
Od plastu k palivu za pomoci dvoch katalyzátorov. Foto – Tasr

Budú ešte pracovať

Tento proces zatiaľ nie je dokonalý. Plast z tašiek a fliaš sa síce po pridaní krátkych alkánov a zmesi dvoch katalyzátorov rozloží na palivo, ale proces trvá veľmi dlho, približne jeden deň.

Navyše katalyzátory zatiaľ nie sú dostatočne účinné, jedna molekula katalyzátora rozloží iba niekoľko tisíc polymérnych reťazcov, potom sa sama rozpadne. Tejto schopnosti sa v chémii hovorí číslo premeny alebo počet reakčných obratov (z angličtiny turnover number, TON).

Podľa definície Medzinárodnej únie čistej a aplikovanej chémie je TON počet molekúl, ktoré dokáže jedna molekula katalyzátora premeniť, kým sa stane neaktívna.

Dokonalý katalyzátor by mal mať toto číslo veľmi vysoké – jedna molekula katalyzátora by mala byť schopná uskutočniť premenu reaktantov na produkty veľakrát (aj niekoľko miliónkrát). V prípade irídiového a réniového katalyzátora je toto číslo pomerne nízke.

Znamená to, že na úplnú premenu všetkého plastu by vedci museli do reakčnej zmesi časom katalyzátory pridať nanovo, čo by výrazne zvýšilo cenu tohto procesu.

Autori štúdie už začali pracovať na vývoji odolnejších katalyzátorov, ktoré by v reakčnej zmesi vydržali aktívne dlhší čas. Ak sa im podarí systém zdokonaliť, pomôžu tak celému svetu.

Dostupné z doi: 10.1126/sciadv.150159110.1126/science.aag0624.

Príroda

Teraz najčítanejšie