Một nhóm nhà khoa học Mỹ, dẫn đầu là Aaron Sadow, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames, GS Hóa học tại Đại học Bang Iowa,  Giám đốc Viện Hợp tác Tái chế Nhựa (iCOUP) đã phát triển một chất xúc tác mới giúp chuyển hóa hydrocarbon thành chất dẻo cao cấp hơn, những hóa chất và vật liệu có giá trị, có thể tái chế và thân thiện với môi trường. 

Chất xúc tác mới có thể chuyển đổi những vật liệu như dầu động cơ, túi nhựa dùng một lần, chai nước hoặc sữa, nắp chai lọ và cả khí tự nhiên thành những hợp chất bền vững hơn.

Chất xúc tác mới được thiết kế nhằm bổ sung những nhóm chức năng vào hydrocarbon béo, loại hợp chất hữu cơ chỉ bao gồm hydro và carbon. Các hydrocarbon này thường không tan vào trong nước và tạo thành những lớp riêng biệt do thiếu các nhóm chức năng. 

Bằng phương pháp kết hợp các nhóm chức năng vào những chuỗi hydrocarbon, các đặc tính của vật liệu sẽ thay đổi đáng kể và có thể tái chế nhiều lần.

Mê-tan trong khí tự nhiên là hydrocarbon đơn giản nhất không có gì ngoài liên kết cacbon-hydro (CH). GS Sadow giải thích: Dầu và polyme có các chuỗi nguyên tử carbon, được liên kết với nhau bằng liên kết carbon-carbon (CC).

Hydrocarbon béo có trong có trong các phân tử cấu thành nhiều dầu mỏ và những sản phẩm dầu mỏ tinh chế như nhựa và dầu động cơ. GS Sadow cho biết những vật liệu này “không có những nhóm chức năng khác, do đó không dễ bị phân hủy sinh học. “Vì vậy, mục tiêu từ lâu trong lĩnh vực xúc tác là có thể lấy những vật liệu này và thêm các nguyên tử khác như oxy hoặc xây dựng cấu trúc mới từ những hóa chất đơn giản này.”

Một trở ngại đáng kể là phương pháp thông thường để thêm các nguyên tử vào chuỗi hydrocarbon đòi hỏi đầu vào phải sử dụng năng lượng đáng kể, sử dụng các chất xúc tác từ kim loại quý hiếm. Dầu mỏ đầu tiên được “bẻ khóa” bằng nhiệt và áp suất thành những khối xây dựng nhỏ. Tiếp theo, những khối xây dựng đó được sử dụng để phát triển chuỗi. Cuối cùng, những nguyên tử cần thiết được thêm vào cuối chuỗi. Trong phương pháp mới của nhóm nghiên cứu, các hydrocarbon béo được chuyển đổi trực tiếp mà không cần crackinh (bẻ gãy) và ở nhiệt độ thấp.

Nhóm của GS Sadow trước đây đã sử dụng chất xúc tác để phá vỡ những liên kết CC trong các chuỗi hydrocacbon này, đồng thời gắn nguyên tử nhôm vào các đầu của những chuỗi nhỏ hơn. Tiếp theo, nhóm chèn oxy hoặc các nguyên tử khác để  tạo ra các nhóm chức năng. Nhằm phát triển một quy trình bổ sung, nhóm nghiên cứu đã tìm ra phương pháp tránh bước phá vỡ liên kết CC. 

GS Sadow cho biết: “Tùy thuộc vào độ dài chuỗi của nguyên liệu ban đầu và những đặc tính mong muốn của sản phẩm, chúng tôi có thể rút ngắn chuỗi hoặc đơn giản là thêm nhóm chức năng oxy. Nếu chúng ta có thể tránh được sự phân tách CC, thì về nguyên tắc, chỉ cần chuyển các chuỗi từ chất xúc tác sang nhôm và sau đó thêm không khí để thiết lập nhóm chức năng.”

GS Sadow cho biết,  chất xúc tác được tổng hợp bằng cách gắn một hợp chất zirconium vào silica-alumina, cả hai đều có bán trên thị trường. Những chất này có nhiều trên trái đất và không đắt, có lợi cho những ứng dụng thương mại tiềm năng trong tương lai.

Hơn thế nữa, chất xúc tác và chất phản ứng đều thân thiện môi trường và chi phí thấp. Nhôm là kim loại dồi dào nhất trên trái đất, chất phản ứng nhôm được tổng hợp mà không tạo ra sản phẩm phụ thải. Tiền chất xúc tác trên cơ sở zirconium alkoxide ổn định trong không khí, sẵn có và được kích hoạt trong lò phản ứng. GS Sadow nói: “Do vậy, không giống như nhiều chất hóa học cơ kim ban đầu cực kỳ nhạy cảm với không khí, tiền chất xúc tác này rất dễ xử lý.”

Hóa chất được tạo thành là một bước tiến tới khả năng tác động đến tính chất vật lý của nhiều loại nhựa như khiến cho nhựa bền, dễ tạo màu và tái chế hơn. Sadow cho biết: “Khi chúng tôi phát triển nhiều chất xúc tác hơn, chúng tôi hy vọng sẽ có thể kết hợp ngày càng nhiều nhóm chức năng, tác động đến các tính chất vật lý của polymer.

Theo GS Sadow kết quả thành công của dự án này là sự hợp tác chặt chẽ của iCOUP. Các nhà khoa học, tham gia vào dự án tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames đã nghiên cứu cấu trúc chất xúc tác bằng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Các nhà khoa học từ Đại học Cornell và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne nghiên cứu cấu trúc và tính chất vật lý của polyme. 

Nhóm nhà khoa học tại Đại học Illinois đã mô hình hóa chức năng polymer theo mô hình thống kê. “Thành công của dự án ở trung tâm được xây dựng trên sự đóng góp chuyên môn sâu của nhiều nhóm nghiên cứu, nhờ đó đã giúp rút ngắn được thời gian và nhanh chóng có được kết quả tối ưu.”

Chất xúc tác do nhóm nghiên cứu của GS Aaron Sadow phát triển mở ra một hướng mới, khiến cho quy trình tái chế rác thải nhựa sử dụng một lần trở lên dễ dàng hơn, đồng thời tạo ra những sản phẩm mới có độ bền cao, khả năng tái chế nhiều lần và giảm thiểu phát thải carbon.