Ученые разработали одноатомный железный катализатор для одновременной деградации пластика и производства зеленого водорода

В условиях нейтрального pH катализатор демонстрирует выдающуюся каталитическую активность и стабильность, превосходя предыдущие методы обработки микропластика. Он применим для решения проблемы загрязнения микропластиком различных водоемов, включая реки, озера и океаны, и может эффективно обрабатывать практически все распространенные типы пластика.

Микропластик: повсеместная экологическая угроза

Пластики широко используются в повседневной жизни благодаря своей превосходной прочности, низкой стоимости и многофункциональности. Однако их чрезмерное использование привело к серьезным экологическим проблемам. С 1950-х годов в мире было произведено более 8,3 млрд тонн пластика, 80% из которых стали отходами, которые в конечном итоге попадают в окружающую среду. Неправильное управление пластиком привело к его накоплению в почве, водоемах и воздухе, где он распадается на микропластиковые частицы и становится одной из самых стойких и распространенных экологических угроз, с которыми сталкивается человечество.

Микропластики не только возникают в результате деградации выброшенного пластика, но и постоянно высвобождаются в результате повседневной деятельности, например, из контейнеров для пищевых продуктов из пенополистирола под воздействием высоких температур или из стареющих пластиковых труб. Эти микропластики есть практически везде. Хотя они невидимы невооруженным глазом, их потенциальный вред для экосистем и здоровья человека нельзя игнорировать.

Исследовательский процесс, лежащий в основе инновационных катализаторов

Для эффективной борьбы с загрязнением микропластиком исследовательская группа Университета Аделаиды приступила к поиску эффективных катализаторов. Они разработали и синтезировали различные катализаторы, в конечном итоге обнаружив, что катализаторы на основе железа лучше всего справляются с деградацией микропластика. Для проверки структуры и производительности катализатора были использованы передовые аналитические методы.

Во время тестирования производительности исследователи систематически оценивали эффективность катализатора в разложении микропластика и оптимизировали условия реакции для повышения эффективности разложения. Механистические исследования с использованием газовой хроматографии и масс-спектрометрии показали, что разложенный пластик в основном преобразуется в органические соединения C3-C20, особенно в короткоцепочечные органические кислоты, которые могут служить сырьем для фотокаталитического производства водорода, тем самым достигая повторного использования ресурсов.

Уникальные преимущества одноатомных железных катализаторов

Этот одноатомный железный катализатор отличается уникальной структурой и высокой каталитической активностью, что позволяет ему разлагать труднообрабатываемые пластики, такие как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, в относительно мягких условиях. Экспериментальные результаты показывают, что катализатор сохраняет высокую активность после нескольких циклов использования, демонстрируя превосходную долговечность и потенциал промышленного применения.

Исследовательская группа также проверила эффекты деградации на различных распространенных пластиках, обнаружив, что катализатор продемонстрировал превосходные возможности деградации для различных типов пластика. Благодаря глубокому анализу промежуточных продуктов, образующихся в процессе деградации, исследователи обнаружили, что первичными продуктами деградации являются короткоцепочечные органические кислоты, которые могут быть далее использованы, способствуя достижению целей повторного использования отходов.

Экспериментальные результаты и перспективы применения

Катализатор эффективно разрушает труднообрабатываемые пластики, такие как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, в относительно мягких условиях, сохраняя свою активность и стабильность даже после многократного использования. Это говорит о том, что катализатор обладает превосходной прочностью для практического применения и потенциалом для внедрения в промышленных масштабах.

Исследование показывает, что высокая производительность катализатора на различных типах пластика демонстрирует его универсальность и адаптивность. Кроме того, команда провела оценку экологической токсичности промежуточных продуктов, полученных в ходе деградации, чтобы гарантировать экологичность процесса.

Перспективы на будущее

Результаты соответствующих исследований были опубликованы в Nature Communications. В дальнейшем команда Университета Аделаиды планирует оптимизировать структуру катализатора для повышения эффективности деградации и масштабировать эксперименты для проверки его осуществимости в практических приложениях. Эта инновационная каталитическая технология обеспечивает экономически выгодное решение проблемы загрязнения пластиком, одновременно потенциально продвигая водородную экономику. Благодаря этому исследованию ученые открыли новые возможности для устойчивого производства чистой энергии.

Однако борьба с загрязнением микропластиком по-прежнему сталкивается со многими проблемами, включая соображения стоимости, эффективности и стабильности в реальных приложениях. Также следует проводить углубленные оценки экологической токсичности, чтобы гарантировать экологическую безопасность процесса разложения. В глобальном масштабе борьба с загрязнением микропластиком требует совместных усилий правительств, научно-исследовательских институтов и предприятий.

Ссылки

1.Вэньцзе Тянь, Пинган Сун, Хуаян Чжан, Сяогуан Дуань, Йен Вэй, Хао Ван и Шаобинь Ван, *Микропластиковые материалы в окружающей среде: проблема и стратегические решения*, Прогресс в материаловедении, 132, 2023, 101035. [https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101035<р>](<р>https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101035<р>)<р>

2. Цзинкай Линь, Куньшэн Ху, Яньтао Ван, Вэньцзе Тянь, Тони Холл, Сяогуан Дуань, Хунци Сунь, Хуаянг Чжан, Эмилиано Кортес и Шаобинь Ван, *Тандемная микропластиковая деградация и производство водорода с помощью иерархических одноатомных железных катализаторов на основе нитрида углерода*, Nature Communications 15, 2024, 8769. [https://doi.org/10.1038/s41467-024-53055-1<р>](<р>https://doi.org/10.1038/s41467-024-53055-1<р>)<р>