Les plastiques sont appréciés pour leur durabilité, mais cette qualité les rend également difficiles à se décomposer. De minuscules morceaux de débris connus sous le nom de microplastiques persistent dans le sol, l'eau et l'air et menacent les écosystèmes et la santé humaine.
Le recyclage traditionnel retrouve les plastiques pour fabriquer de nouveaux produits, mais chaque fois que cela est fait, le matériau devient de qualité inférieure en raison de la contamination et de la dégradation des polymères dans les plastiques. De plus, le recyclage seul ne peut pas suivre le rythme du volume croissant de déchets plastiques mondiaux.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par l'Université du Delaware a développé un nouveau type de catalyseur qui améliore la conversion des déchets plastiques en carburants liquides plus rapidement et avec moins de sous-produits indésirables que les méthodes actuelles. En vedette sur la couverture du Catalyse chimiquele travail du stade pilote aide à ouvrir la voie à des méthodes économes en énergie pour l'upcyclage plastique, la réduction de la pollution plastique et la promotion de la production durable de carburant.
« Au lieu de laisser les plastiques s'accumuler comme des déchets, l'upcycling les traite comme des carburants solides qui peuvent être transformés en carburants et produits chimiques liquides utiles, offrant une solution plus rapide, plus efficace et respectueuse de l'environnement », a déclaré l'auteur principal Dongxia Liu, le professeur de Robert K. Grasseli de génie chimique et biomoléculaire au collège d'ingénierie de l'UD.
L'hydrogénolyse, qui utilise l'hydrogène gazeux et un catalyseur, est une approche prometteuse de recyclage, qui utilise l'hydrogène gazeux et un catalyseur pour convertir les polymères dans les plastiques en carburants liquides pour le transport et l'utilisation industrielle. Cependant, les catalyseurs conventionnels ont une efficacité limitée car les molécules de polymère volumineuses ont du mal à interagir avec les sites actifs du catalyseur où la réaction a lieu.
Pour y remédier, les chercheurs ont transformé les Mxènes (prononcées max-eens), un type de nanomatériau, en Mxènes mésoporeux, une forme avec des pores plus grands et plus ouverts qui n'avaient pas été utilisés auparavant pour le recyclage plastique.
« Les Mxènes forment des couches bidimensionnelles, comme les pages d'un livre. Ces couches empilées dans le livre fermé rendent difficile pour le plastique fondu de se déplacer facilement, limitant le contact avec le catalyseur », a expliqué le premier auteur Ali Kamali, un doctorant au Département du génie chimique et biomoléculaire.
« Pour améliorer la conception, nous avons inséré des piliers de silice pour ouvrir l'espace entre les couches mXene, permettant aux polymères et aux composés intermédiaires qui se forment pendant la réaction de s'écouler plus facilement. »
Ils ont testé leur catalyseur de ruthénium soutenu par le MXENE mésoporeux avec du polyéthylène à basse densité (LDPE), un plastique souvent utilisé dans les sacs à provisions et les films plastiques. Dans un petit réacteur sous pression, l'équipe a combiné le LDPE avec le catalyseur et l'hydrogène gazeux et a chauffé le mélange, faisant fondre le plastique dans un sirop épais.
Leur catalyseur a atteint les taux de réaction presque deux fois plus rapides que ceux précédemment rapportés pour l'hydrogénolyse LDPE. Le catalyseur a également affiché une sélectivité élevée, permettant une production ciblée de carburants liquides tout en minimisant les sous-produits indésirables comme le méthane de gaz à effet de serre. Les chercheurs attribuent cette sélectivité à la stabilisation des nanoparticules de ruthénium dans l'espace mésoporeux entre les couches mXene.
« Nous avons pu produire un matériau qui non seulement accélère la conversion mais améliore également la qualité des produits à combustible. Cette avancée met en évidence le potentiel des catalyseurs mésoporeux nanostructurés pour améliorer le lycée plastique », a déclaré Liu.
Pour l'avenir, l'équipe de recherche prévoit d'affiner davantage le catalyseur et de développer une bibliothèque plus large de catalyseurs basés sur MXENE à utiliser avec différents types de plastiques. En fin de compte, ils espèrent collaborer avec des partenaires de l'industrie pour transformer les déchets plastiques d'un problème en ressource, en le convertissant en carburants et produits chimiques qui non seulement aident l'environnement mais apportent également une valeur économique aux communautés locales.
