Ученые из Египетского института нефтяных исследований и Университета Айн-Шамс подобрали оптимальный состав катализатора для одновременного получения водорода и углеродных наноматериалов из пластиковых отходов. В качестве сырья они использовали полиэтилен низкой плотности (LDPE) – распространенный пластик, из которого производят пакеты, пленку и другую упаковку. Максимальная концентрация водорода в получаемом газе достигла 81%, а выход углеродных наноматериалов – 32,4% от массы исходного пластика.
Сам принцип такой переработки известен и основан на двух последовательных стадиях. Сначала пластик подвергают пиролизу – нагревают без доступа кислорода, в результате чего он распадается с образованием газообразных углеводородов. Затем эти газы пропускают через катализатор на основе кобальта и молибдена (Co-Mo). На его поверхности углеводороды разлагаются дальше: водород выделяется в газообразной форме, а углерод остается в твердом состоянии и формирует нанотрубки и другие наноструктуры. Такой водород относят к «бирюзовому»: содержащийся в исходном сырье углерод не превращается в CO₂, а остается в виде твердого продукта.
Главной задачей исследователей было определить, какая основа лучше всего подходит для Co-Mo-катализатора. Они сравнили пять вариантов: чистые оксид алюминия (Al₂O₃) и оксид магния (MgO), а также три их смеси с разным соотношением компонентов – 75 на 25, 50 на 50 и 25 на 75. Оказалось, что состав основы напрямую влияет на распределение частиц кобальта, которые служат активными центрами для разложения углеводородов. MgO сильнее взаимодействует с кобальтом и молибденом и помогает равномернее распределять активные частицы, не позволяя им слипаться и укрупняться при высокой температуре. Al₂O₃, напротив, может способствовать образованию менее активных соединений кобальта, из-за чего доступных для реакции участков становится меньше.
Больше всего водорода дал катализатор CoMo/MgO, то есть кобальт и молибден на основе чистого оксида магния. Концентрация H₂ достигла 81%, а выход углеродных наноматериалов – 32,4% от массы исходного полиэтилена. При этом в течение 150 минут эксперимента катализатор сохранял стабильную активность без заметного снижения производства водорода. Однако углеродный продукт представлял собой смесь нанотрубок и нановолокон.
Среди смешанных основ лучшие результаты показал состав Al₂₅-Mg₇₅ – 25% оксида алюминия и 75% оксида магния. Концентрация водорода составила около 72%, а выход углеродных наноматериалов – 26,1%. Главное отличие заключалось в их структуре: на таком катализаторе преимущественно образовывались хорошо упорядоченные многостенные углеродные нанотрубки. Высокая степень графитизации означает, что атомы углерода в них образуют более упорядоченную структуру с меньшим количеством дефектов. Именно сочетание достаточно высокой выработки водорода и качества получаемых нанотрубок позволило авторам назвать этот состав лучшим среди катализаторов на смешанной основе Al₂O₃-MgO.
При увеличении доли оксида алюминия показатели ухудшались. Так, катализатор с 75% оксида алюминия и 25% оксида магния обеспечил концентрацию H₂ лишь 54,9%, а выход углеродных наноматериалов – 15,7%. Вместо однородных нанотрубок на нем формировались графитовые структуры и углеродные нано-луковицы – частицы из нескольких вложенных друг в друга углеродных оболочек. Вариант с равными долями Al₂O₃ и MgO также постепенно терял активность: в первые 30 минут концентрация водорода достигала 69%, после чего начала снижаться. Это еще раз показало, насколько состав основы влияет не только на количество водорода, но и на стабильность работы катализатора и свойства углеродного продукта.
Таким образом исследование показало, что изменение состава основы Co-Mo-катализатора позволяет управлять сразу двумя результатами переработки пластика – производством H₂ и структурой образующегося углерода. Это открытие может изменить ситуацию с переработкой пластиковых отходов, объем которых продолжает расти вместе с производством пластика.
Следует напомнить, что в мире ежегодно производится около 500 млн тонн пластика, при этом значительная его часть после использования оказывается на свалках или попадает в окружающую среду.
