Gold-Nanopartikel-Katalysator hilft, Plastikmüll in nützliche Verbindungen umzuwandeln

Von der Tokyo Metropolitan University, 20. März 2023

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Goldnanopartikel auf einer Zirkonoxidoberfläche Abfallmaterialien wie Biomasse und Polyester in Organosilanverbindungen umwandeln können, die wertvolle Chemikalien für verschiedene Anwendungen sind. Das Protokoll ist eine umweltfreundlichere und weniger anspruchsvolle Methode zum Upcycling von Abfällen und nutzt die Zusammenarbeit zwischen Goldnanopartikeln und der amphoteren Natur des Zirkoniumoxidträgers.

Ein getragener Gold-Nanopartikel-Katalysator kann Polyester und Biomasse recyceln.

Researchers from Tokyo Metropolitan University have found that gold nanoparticles supported on a zirconium oxide surface help turn waste materials like biomass and polyester into organosilane compounds, valuable chemicals used in a wide range of applications. The new protocol leverages the cooperation between gold nanoparticles and the amphoteric (both acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Säure und Base) Natur des Zirkoniumoxidträgers. Das Ergebnis ist eine Reaktion, die weniger anspruchsvolle Bedingungen und eine umweltfreundlichere Methode zum Upcycling von Abfällen erfordert.

Recycling ist ein großer Teil der Lösung der Menschheit für das globale Problem des Plastikmülls. Vieles davon dreht sich darum, Plastikmüll in Plastikprodukte umzuwandeln. Wissenschaftler haben jedoch auch alternative Ansätze untersucht, um die Nutzung von Abfallstoffen als Ressource zu fördern. Dazu gehört Upcycling, die Umwandlung von Abfallstoffen in völlig neue Verbindungen und Produkte, die wertvoller sein können als die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien.

Ether und Ester werden mit einem Disilan in Gegenwart eines Hybridkatalysators umgesetzt, der aus Goldnanopartikeln besteht, die auf einem Zirkoniumoxidsubstrat montiert sind. Das Vorhandensein der Goldnanopartikel und sowohl saurer als auch basischer Stellen auf dem Träger hilft bei der Umwandlung der Ether- und Estergruppen in Silangruppen. Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

A team of researchers from Tokyo Metropolitan University led by Associate Professor Hiroki Miura has been working on the conversion of plastic and biomass to organosilanes, organic molecules with a silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Atom gebunden, um eine Kohlenstoff-Silizium-Bindung zu bilden. Organosilane sind wertvolle Materialien in Hochleistungsbeschichtungen und Zwischenprodukten bei der Herstellung von Pharmazeutika und Agrochemikalien. Bei der Zugabe des Siliziumatoms sind jedoch häufig luft- und feuchtigkeitsempfindliche Reagenzien erforderlich, die hohe Temperaturen erfordern, ganz zu schweigen von stark sauren oder basischen Bedingungen. Dies macht den Umwandlungsprozess selbst möglicherweise zu einer Belastung für die Umwelt.

Jetzt hat das Team ein Hybridkatalysatormaterial angewendet, das aus Goldnanopartikeln besteht, die auf einem Zirkoniumoxidträger getragen werden. Der Katalysator nimmt Ether- und Estergruppen auf, die beide in Kunststoffen wie Polyester und Biomasseverbindungen wie Cellulose reichlich vorhanden sind, und hilft ihnen, mit einer siliziumhaltigen Verbindung namens Disilan zu reagieren. Durch leichtes Erhitzen in Lösung gelang es ihnen, an der Stelle, an der sich die Ester- oder Ethergruppe befand, Organosilangruppen zu erzeugen. Durch detaillierte Untersuchungen des Mechanismus stellte das Team fest, dass die Zusammenarbeit zwischen den Goldnanopartikeln und der amphoteren (sowohl basischen als auch sauren) Beschaffenheit des Trägers für die effektive Umwandlung des Rohmaterials mit hoher Ausbeute unter milden Bedingungen verantwortlich war.

Angesichts der Tatsache, dass die Entsorgung von Kunststoffabfällen oft eine Verbrennung oder stark saure/basische Bedingungen erfordert, bietet das Verfahren selbst bereits einen einfachen Weg, Polyester unter viel weniger anspruchsvollen Bedingungen zu zersetzen. Der entscheidende Punkt hierbei ist jedoch, dass die Reaktionsprodukte selbst wertvolle Verbindungen sind, die für neue Anwendungen bereit sind. Das Team hofft, dass dieser neue Weg zur Organosilanproduktion Teil unseres Weges in eine CO2-neutrale Zukunft ist, in der Kunststoffe nicht in die Umwelt gelangen, sondern in nützlichere Produkte für die Gesellschaft gelangen.

Referenz: „Diverse Alkyl-Silyl Cross-Coupling via Homolysis of Unactivated C(sp3)-O Bonds with the Cooperation of Gold Nanoparticles and Amphoteric Zirconium Oxides“ von Hiroki Miura, Masafumi Doi, Yuki Yasui, Yosuke Masaki, Hidenori Nishio und Tetsuya Shishido , 20. Februar 2023, Journal of the American Chemical Society.DOI: 10.1021/jacs.2c12311

Diese Arbeit wurde vom Program for Element Strategy Initiative for Catalysts and Batteries (ESICB) (Grant-Nummer JPMXP0112101003), dem JST FOREST Program (Grant-Nummer JPMJFR203V) und Grants-in-Aid for Scientific Research (B) (Grant-Nummer 21H01719) unterstützt. , Anspruchsvolle Forschung (exploratorisch) (Grant-Nummer 22K18927) und wissenschaftliche Forschung zu innovativen Bereichen (Grant 17H06443), im Auftrag von MEXT, Japan.