Um catalisador recém desenvolvido torna os plásticos descartáveis mais fáceis de reciclar e biodegradar
Os pesquisadores criaram um novo catalisador que transforma hidrocarbonetos em produtos químicos e materiais de maior valor, mais fáceis de reciclar e biodegradáveis no meio ambiente. Esse catalisador transforma materiais como óleo de motor, plásticos em sacolas descartáveis, garrafas de água ou leite e suas tampas e até gás natural. Foi desenvolvido por uma equipe de cientistas liderada por Aaron Sadow, cientista do Ames National Laboratory, diretor do Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) e professor de química na Iowa State University.
O novo catalisador é projetado para introduzir grupos funcionais em hidrocarbonetos alifáticos. Os hidrocarbonetos alifáticos são compostos orgânicos formados apenas por hidrogênio e carbono. Eles normalmente não se misturam com a água, criando camadas distintas, em parte porque não contêm grupos funcionais. Grupos funcionais são agrupamentos específicos de átomos dentro de moléculas que possuem características únicas. Adicionar grupos funcionais a essas cadeias de hidrocarbonetos pode afetar drasticamente suas propriedades e tornar os materiais recicláveis.
“O metano no gás natural é o mais simples dos hidrocarbonetos com nada além de ligações carbono-hidrogênio (CH). Óleos e polímeros têm cadeias de átomos de carbono, ligados por ligações carbono-carbono (CC)”, explicou Sadow.
Os hidrocarbonetos alifáticos constituem grande parte do petróleo e de produtos petrolíferos refinados , como plásticos e óleos de motor. Esses materiais “não possuem outros grupos funcionais, o que significa que não são fáceis de biodegradar”, disse Sadow. “Portanto, há muito tempo é um objetivo no campo da catálise ser capaz de pegar esses tipos de materiais e adicionar outros átomos, como oxigênio, ou construir novas estruturas a partir desses produtos químicos simples”.
Infelizmente, a maneira convencional de adicionar átomos às cadeias de hidrocarbonetos requer consideráveis entradas de energia. Primeiro, o petróleo é “craqueado” com calor e pressão em pequenos blocos de construção. Em seguida, esses blocos de construção são usados para criar correntes. Finalmente, os átomos desejados são adicionados no final das cadeias. Nesta nova abordagem, os hidrocarbonetos alifáticos existentes são convertidos diretamente sem craqueamento e em baixa temperatura.
A equipe de Sadow usou anteriormente um catalisador para quebrar as ligações CC nessas cadeias de hidrocarbonetos e, simultaneamente, ligou o alumínio às extremidades das cadeias menores. Em seguida, eles inseriram oxigênio ou outros átomos para introduzir grupos funcionais. Para desenvolver um processo complementar, a equipe encontrou uma maneira de evitar a etapa de quebra da ligação CC.
“Dependendo do comprimento da cadeia do material de partida e das propriedades desejadas do produto, podemos querer encurtar as cadeias ou simplesmente adicionar o grupo funcional de oxigênio”, disse Sadow. “Se pudéssemos evitar a clivagem CC, poderíamos, em princípio, apenas transferir as cadeias do catalisador para o alumínio e depois adicionar ar para instalar o grupo funcional.”
Sadow explicou que o catalisador é sintetizado anexando um composto de zircônio disponível comercialmente em sílica-alumina comercialmente disponível. As substâncias são abundantes na terra e baratas, o que é benéfico para potenciais aplicações comerciais futuras.
Além disso, o catalisador e o reagente são vantajosos em termos de sustentabilidade e custo. O alumínio é o metal mais abundante na terra, e o reagente de alumínio usado é sintetizado sem criar subprodutos residuais. O precursor do catalisador à base de alcóxido de zircônio é estável ao ar, prontamente disponível e ativado no reator. “Portanto, ao contrário de muitas químicas organometálicas iniciais que são extremamente sensíveis ao ar, esse precursor de catalisador é fácil de manusear”, disse Sadow.
Essa química é um passo para poder afetar as propriedades físicas de uma variedade de plásticos, como torná-los mais fortes e fáceis de colorir. “À medida que desenvolvemos mais a catálise, esperamos poder incorporar mais e mais grupos funcionais para afetar as propriedades físicas dos polímeros”, disse Sadow.
Sadow creditou o sucesso deste projeto à natureza colaborativa do iCOUP. O grupo de Perras no Ames National Laboratory estudou estruturas de catalisadores usando espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (NMR). Coates”, os grupos de LaPointe e Delferro da Cornell University e do Argonne National Laboratory investigaram a estrutura e as propriedades físicas dos polímeros. E o grupo de Peters, da Universidade de Illinois, modelou estatisticamente a funcionalização de polímeros. “, disse Sadow. “Este trabalho destaca os benefícios da ciência da equipe.”
Esta pesquisa é discutida em mais detalhes no artigo “Zirconium-Catalyzed C-H Alumination of Polyolefins, Paraffins, and Methane”, publicado no Journal of the American Chemical Society ( JACS ). O trabalho também foi apresentado no JACS Spotlight como “Uma nova ferramenta versátil para a fabricação de produtos químicos básicos”.
Fonte: Uddhav Kanbur et al, Zirconium-Catalyzed C–H Alumination of Polyolefins, Paraffins, and Methane, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.2c11056
Spotlights on Recent JACS Publications, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c00911
