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, из которого производят пакеты, пленку и другую упаковку. Максимальная концентрация водорода в получаемом газе достигла 81%, а выход углеродных наноматериалов составил 32,4% от массы исходного пластика.
Сам принцип такой переработки известен и основан на двух последовательных стадиях. Сначала пластик нагревают без доступа кислорода, в результате чего он распадается с образованием газообразных углеводородов. Затем эти газы пропускают через катализатор на основе кобальта и молибдена. На его поверхности водород выделяется в газообразной форме, а углерод остается в твердом состоянии и формирует нанотрубки и другие наноструктуры. Такой водород относят к "бирюзовому", так как содержащийся в исходном сырье углерод не превращается в CO2, а остается в виде твердого продукта.
Главной задачей ученых было определить, какая основа лучше всего подходит для катализатора. Они сравнили такие варианты, как чистые оксид алюминия (Al2O3) и оксид магния (MgO), а также три их смеси с разным соотношением компонентов. 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, содержащий кобальт и молибден на основе чистого оксида магния. Концентрация H2 достигла 81%, а выход углеродных наноматериалов составил 32,4% от массы исходного полиэтилена. В течение 150 минут эксперимента катализатор сохранял стабильную активность без заметного снижения производства водорода. Углеродный продукт представлял собой смесь нанотрубок и нановолокон.
Среди смешанных основ лучшие результаты показал состав из 25% оксида алюминия и 75% оксида магния. Концентрация водорода составила около 72%, а выход углеродных наноматериалов достиг 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 создают более упорядоченную структуру с меньшим количеством дефектов. Именно сочетание достаточно высокой выработки водорода и качества получаемых нанотрубок позволило ученым назвать этот состав лучшим среди катализаторов на смешанной основе.
При увеличении доли оксида алюминия показатели ухудшались. Это еще раз показало, насколько состав основы влияет не только на количество водорода, но и на стабильность работы катализатора и свойства углеродного продукта. Это открытие может изменить ситуацию с переработкой пластиковых отходов, объем которых продолжает расти вместе с производством пластика.
