光を使ってプラスチックを分解

July, 29, 2024, Austin--非生分解性プラスチック廃棄物は、世界的に大きな問題となっている。フォトニックデバイスおよびオプトエレクトロニクスデバイスには、情報を保存するためにカーボンドットが必要になる。1つの化学プロセスで、この2つの要求に対応できるか。

多国籍の研究チームは、プラスチック中の分子をレーザ光でザッピングし、炭素ドットなどのより価値のある物質に分解する方法を解明した(Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-024-49783-z)。このプロセスでは、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)の薄層を使用して、化学結合の切断と改質を媒介する。

光活性化化学
多くの包装材料や配管パイプを構成するプラスチックは、モノマの長い鎖で構成されており、モノマは炭素-水素結合で満たされている。たとえば、ほとんどの種類のポリエチレンの化学式は(C2H4)nまたは (H2C=CH2)nである.

共有結合のC-H結合は熱力学的に強く、比較的反応性が低い。しかし、特定の条件下では、科学者はこれらの結合を切断し、炭素原子を独自の種類または他の元素と結合させることができる。C-H活性化と呼ばれるこのプロセスに関するほとんどの研究努力は、プラスチックを構成する長鎖ポリマの代わりにメタンなどの短鎖化合物に関係している。

米国テキサス大学オースティン校の材料科学者Yuebing Zhengが率いる研究チームは、二セレン化タングステン(WSe2)、TMDC半導体を提示した。その上に、多くの柔軟剤の成分である塩化セチルトリメチルアンモニウム(CTAC)として知られる有機界面活性剤を配置した。波長532nmの低出力連続波レーザのビーム下で、TMDC分子は長鎖界面活性剤分子内のC-H結合の切断とそれに続くC=C結合の形成を媒介した。分光分析により、炭素から炭素ドットが合体していることが確認された。

WSe2におけるC-H活性化過程における運動エネルギー障壁の第一原理計算また、金やパラジウムなど、活性化触媒として使用される他の材料は、後者が短鎖分子にのみ作用し、長鎖分子には作用しないことを明らかにした。

スケールアップ
カリフォルニア大学バークレー校(UC Berkeley)のJingang Liは、この研究の筆頭著者で、基本的なプロセスを実際のアプリケーション向けにスケールアップできると確信している。「現在の理解と初期実験に基づくと、この方法は、多くの一般的なポリマ、有機界面活性剤、およびC-H結合を持つプラスチックに一般的である」と同氏は離している。

プラスチック廃棄物を分解するために必要なエネルギーが、プラスチックの再利用による環境節約を打ち消すのではないかと疑問に思う人もいるかもしれない。Liは、実験室規模の実験に基づいて、将来の大規模なプラスチックザッピングプロジェクトのエネルギー消費量を見積もることは難しいと認めているが、同氏とチームは、より大きなレーザビームやその他の低出力光源を使用して手順をスケールアップすることに取り組んでいる。