Японские ученые смогли разработать способ избирательного извлечения полиуретана из композитных материалов, используя иридиевый катализатор. Этот метод позволяет разрушать именно полиуретан, оставляя нетронутыми такие полимеры, как полиэстер и полиамид, что открывает перспективы для упрощения химической переработки смешанных отходов, включая спортивную одежду.
В настоящее время менее 12 процентов всех пластиковых отходов подвергаются переработке. Особую сложность представляют смешанные пластиковые отходы, например, материалы для купальников и спортивной одежды, которые часто состоят из комбинации эластана (полиуретана), полиэстера (полиэтилентерефталата) и нейлона (полиамида). Поскольку эти полимеры требуют различных методов переработки, а разделение переплетенных волокон практически невозможно, такая одежда в странах с развитой инфраструктурой переработки чаще всего отправляется на свалку или сжигается.
Киоко Нозаки из Университета Токио возглавила команду, которая предложила оригинальное решение. Ученые применили технологию гидрогенолиза, которая заключается в расщеплении полимерных цепочек с использованием водорода, активированного на специальном катализаторе. Для достижения селективности в отношении полиуретана был протестирован иридиевый катализатор в сочетании с различными основаниями. Было установлено, что слабые основания не обеспечивали достаточного каталитического эффекта, тогда как сильные основания вызывали не только распад полиуретана, но и нежелательную побочную реакцию переэтерификации. Оптимальным выбором стал цианозамещенный фенолят калия, который эффективно подавлял побочные процессы, сохраняя при этом высокую активность катализатора к полиуретану.
После тонкой настройки условий, Нозаки и ее сотрудники провели проверку метода на фактических материалах. При работе с тканью спортивной майки, содержащей 88% полиэстера и 12% эластана, им удалось почти полностью удалить полиуретановый компонент, при этом структура полиэстера осталась неизменной. Анализ методом газовой хроматографии подтвердил наличие продуктов разложения полиуретана, однако этиленгликоль, один из мономеров полиэстера, отсутствовал даже в следовых количествах, что свидетельствовало об отсутствии разложения полиэстера. Аналогичные положительные результаты были получены при тестировании тканей, смешанных из эластана и нейлона, а также кухонных губок, изготовленных из полиуретана и полиэтилентерефталата.
В дальнейшем исследователи намерены сосредоточиться на эффективном выделении продуктов, полученных в результате разложения полиуретана, а также на масштабировании всего процесса. Успешная реализация этих задач может превратить селективный гидрогенолиз в новую, перспективную стратегию для химической переработки смешанных пластиков.
Японские и китайские исследователи создали медно-кобальтовый катализатор, способный самостоятельно изменять свою структуру в процессе электрохимического восстановления нитратов. Эта способность к реконструкции стала решающим фактором для достижения высокой эффективности при получении аммиака из нитратов, при этом фарадеевская эффективность составила 95,4 процента. Результаты данной работы были опубликованы в издании Advanced Science.
Процесс электрохимического восстановления нитратов имеет двойную пользу: он позволяет одновременно очищать загрязненную воду и производить аммиак в мягких условиях, минуя необходимость в традиционном энергозатратном методе Габера-Боша. Соединения меди считаются многообещающими катализаторами для таких задач, поскольку их электронная структура способствует легкому связыванию и восстановлению нитратов. Однако использование меди сопряжено с трудностями: ученые отмечали постоянную смену степени окисления ионов меди, но роль этих изменений оставалась неясной. Кроме того, медь недостаточно эффективно расщепляет воду до водорода и слабо удерживает некоторые промежуточные продукты реакции, что замедляет синтез аммиака.
Команда японских и китайских химиков под руководством Такеши Фудзиты из Кочинского технологического университета смогла решить эти проблемы. Они модифицировали оксид меди, добавляя от 10 до 50 мольных процентов оксида кобальта, что позволило получить серию катализаторов типа CuO/CoOX. Предполагалось, что кобальтовая составляющая будет способствовать образованию активных частиц водорода, а медная — обеспечивать связывание и последовательное восстановление азотсодержащих соединений.
Испытания катализаторов проводились в электрохимической ячейке для восстановления нитратов, с последующим сравнением их работы с катализаторами, содержащими только медь или только кобальт. Изменения структуры во время реакции отслеживались с помощью методов in situ рамановской, инфракрасной и электрон-парамагнитной спектроскопии. До и после проведения реакции катализаторы изучались с помощью электронного микроскопа, а также выполнялись квантово-химические расчеты.
Наилучшие показатели продемонстрировал катализатор с содержанием кобальта в 10 мольных процентов (соотношение Co:Cu = 1:9). При дальнейшем увеличении доли кобальта наблюдалось усиление конкурирующей реакции выделения молекулярного водорода, что приводило к замедлению образования аммиака.
Было установлено, что исходный катализатор Co1Cu9OX со временем трансформируется, образуя новую функциональную структуру. Эта структура включает металлическую медь Cu (0), оксид кобальта, а также окисленные соединения меди Cu (I) и Cu (II), насыщенные гидроксильными группами на поверхности. Такая перестройка способствовала более быстрому связыванию нитратов на меди и стабилизации промежуточных продуктов. Более того, близость меди позволяла полученным частицам водорода немедленно взаимодействовать с азотом для его восстановления. Благодаря этой реконструкции, выход аммиака достиг 54,68 миллиграмма в час на миллиграмм катализатора, что значительно выше, чем показатель медного катализатора, который давал около 35 миллиграммов в час на миллиграмм в тех же условиях.
Таким образом, Фудзита и его команда доказали, что эффективность катализатора зависит не только от его первоначального состава, но и от способности его поверхности к спонтанной перестройке в ходе реакции. Авторы представили концепцию протокатализатора — материала, который сам формирует наиболее активную конфигурацию в процессе эксплуатации. Этот подход может послужить основой для разработки гетероструктурных катализаторов для различных электрохимических процессов.
