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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.

Resumo gráfico. Crédito: Journal of the American Chemical Society (2023).

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

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