El catalizador de nanopartículas de oro ayuda a convertir los desechos plásticos en compuestos útiles

Por Universidad Metropolitana de Tokio 20 de marzo de 2023

Los científicos han descubierto que las nanopartículas de oro apoyadas en una superficie de óxido de circonio pueden convertir materiales de desecho como biomasa y poliéster en compuestos de organosilano, que son sustancias químicas valiosas que se utilizan en diversas aplicaciones. El protocolo es un método más ecológico y menos exigente para reciclar residuos, aprovechando la cooperación entre las nanopartículas de oro y la naturaleza anfótera del soporte de óxido de circonio.

El catalizador de nanopartículas de oro compatible puede reciclar poliéster y biomasa.

Researchers from Tokyo Metropolitan University have found that gold nanoparticles supported on a zirconium oxide surface help turn waste materials like biomass and polyester into organosilane compounds, valuable chemicals used in a wide range of applications. The new protocol leverages the cooperation between gold nanoparticles and the amphoteric (both acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ácido y base) naturaleza del soporte de óxido de circonio. El resultado es una reacción que requiere condiciones menos exigentes y un método más ecológico para reciclar los desechos.

El reciclaje es una gran parte de la solución de la humanidad al problema global de los desechos plásticos. Gran parte se trata de convertir los desechos plásticos en productos plásticos. Sin embargo, los científicos también han estado explorando enfoques alternativos para fomentar el uso de materiales de desecho como recurso. Esto incluye el upcycling, la conversión de material de desecho en compuestos y productos completamente nuevos que pueden ser más valiosos que los materiales utilizados para fabricarlos.

Los éteres y ésteres se hacen reaccionar con un disilano en presencia de un catalizador híbrido que consta de nanopartículas de oro montadas sobre un sustrato de óxido de circonio. La presencia de nanopartículas de oro y sitios tanto ácidos como básicos en el soporte ayuda a convertir los grupos éter y éster en grupos silano. Crédito: Universidad Metropolitana de Tokio

A team of researchers from Tokyo Metropolitan University led by Associate Professor Hiroki Miura has been working on the conversion of plastic and biomass to organosilanes, organic molecules with a silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo unido para formar un enlace carbono-silicio. Los organosilanos son materiales valiosos en recubrimientos de alto rendimiento e intermedios en la producción de productos farmacéuticos y agroquímicos. Sin embargo, la adición del átomo de silicio a menudo involucra reactivos que son sensibles al aire y la humedad y requieren altas temperaturas, sin mencionar condiciones severamente ácidas o básicas. Potencialmente, esto hace que el proceso de conversión en sí mismo sea una carga ambiental.

Ahora, el equipo ha aplicado un material catalizador híbrido que consta de nanopartículas de oro sobre un soporte de óxido de circonio. El catalizador toma grupos éter y éster, ambos abundantes en plásticos como el poliéster y compuestos de biomasa como la celulosa, y los ayuda a reaccionar con un compuesto que contiene silicio conocido como disilano. Bajo calentamiento suave en solución, crearon con éxito grupos organosilano donde se encontraba el grupo éster o éter. A través de estudios detallados del mecanismo, el equipo descubrió que la cooperación entre las nanopartículas de oro y la naturaleza anfótera (tanto básica como ácida) del soporte era responsable de la conversión eficaz y de alto rendimiento de la materia prima en condiciones suaves.

Dado que la eliminación de desechos plásticos a menudo requiere combustión o condiciones severamente ácidas/básicas, el proceso en sí ya proporciona una ruta fácil para descomponer poliésteres en condiciones mucho menos exigentes. Sin embargo, el punto clave aquí es que los productos de la reacción son en sí mismos compuestos valiosos, listos para nuevas aplicaciones. El equipo espera que esta nueva ruta hacia la producción de organosilanos forme parte de nuestro camino hacia un futuro neutral en carbono, donde los plásticos no lleguen al medio ambiente, sino a productos más útiles para la sociedad.

Referencia: "Diverse Alkyl-Silyl Cross-Coupling via Homolysis of Unactivated C(sp3)-O Bonds with the Cooperation of Gold Nanoparticles and Anphoteric Zirconium Oxides" por Hiroki Miura, Masafumi Doi, Yuki Yasui, Yosuke Masaki, Hidenori Nishio y Tetsuya Shishido , 20 de febrero de 2023, Revista de la Sociedad Química Estadounidense. DOI: 10.1021/jacs.2c12311

Este trabajo fue apoyado por el Programa para la Iniciativa de Estrategia de Elementos para Catalizadores y Baterías (ESICB) (Número de Subvención JPMXP0112101003), el Programa JST FOREST (Número de Subvención JPMJFR203V), Subvenciones en Ayuda para Investigación Científica (B) (Número de Subvención 21H01719) , investigación desafiante (exploratoria) (subvención número 22K18927) e investigación científica en áreas innovadoras (subvención 17H06443) encargada por MEXT, Japón.