Из пластика делают много удобного и практичного. Но его главное достоинство, долговечность, оборачивается серьезной проблемой: природа не в силах быстро переработать такие материалы. В результате крошечные частицы — микропластик — накапливаются в почве, воде и даже в воздухе, создавая угрозу для всего живого, включая человека. Учные нашли микропластик даже в сердце!

Привычный нам способ переработки, когда старые вещи переплавляют в новые, не решает проблему. После каждой такой «переплавки» качество пластика падает — полимеры разрушаются, материал загрязняется. И главное, масштабы пластикового мусора на планете растут так быстро, что переработка с ними просто не справляется.

Команда исследователей под руководством Университета Делавэра предложила новый подход. Они создали катализатор, который превращает пластиковые отходы в жидкое топливо. Этот процесс идет гораздо быстрее, чем существующие методы, и дает меньше вредных побочных продуктов. Работа, которая попала на обложку журнала Chem Catalysis, приближает нас к энергоэффективному способу не просто переработки, а именно апсайклинга пластика. То есть мы получаем из отходов не что-то второсортное, а ценный ресурс.

Один из самых перспективных методов здесь — гидрогенолиз. Если совсем просто: с помощью водорода и специального помощника (катализатора) длинные цепи пластиковых полимеров расщепляются на более короткие молекулы, из которых получается отличное жидкое топливо для машин или заводов. Беда в том, что обычные катализаторы работают неэффективно. Огромные молекулы пластика просто не могут пробраться к активным участкам катализатора, где идет реакция.

Чтобы решить эту задачку, ученые взяли материал под названием MXene. Это такой наноматериал, который состоит из тончайших слоев, похожих на листы бумаги в закрытой книге. В обычном состоянии эти слои прижаты друг к другу, и расплавленному пластику сквозь них не пробиться. Но исследователи придумали, как раздвинуть эти слои с помощью крошечных кремниевых столбиков. Получился пористый материал, внутри которого достаточно места для свободного перемещения молекул пластика.

Свой новый катализатор — мезопористый MXene с частицами рутения — они испытали на полиэтилене низкой плотности. Из него делают наши пакеты и упаковочную пленку. В небольшом реакторе под давлением смешали пластик, катализатор и водород, нагрели — пластик превратился в густой сироп. И тут началось самое интересное.

Реакция пошла почти в два раза быстрее, чем во всех предыдущих экспериментах с похожим сырьем. Но это не все. Катализатор оказался очень разборчивым: он целенаправленно производил именно жидкое топливо и почти не давал побочных продуктов, например, парникового газа метана. Секрет в том, что частицы рутения прочно закрепились внутри тех самых пор между слоями MXene, и это помогло контролировать процесс.

Донгся Лю, профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии, объясняет:

Вместо того чтобы копить горы мусора, мы предлагаем превращать пластик в полезные вещи. Это даже не утилизация, а создание ценных продуктов — топлива и химикатов.

А Али Камали, аспирант и первый автор работы, сравнивает новый материал с книгой:

Представьте, что листы в книге были плотно сжаты. Мы вставили между ними распорки, и теперь молекулы пластика свободно путешествуют внутри, находя нужные места для реакции.

Сейчас команда планирует улучшить свой катализатор и создать целую коллекцию подобных материалов для разных видов пластика. Ученые надеются, что их разработка заинтересует промышленные компании. Тогда пластиковый мусор перестанет быть головной болью и станет источником ценного сырья, которое поможет и экологии, и экономике.

Если задуматься, это исследование интересно не только с точки зрения утилизации мусора. Представьте, что наши океаны и города постепенно перестанут задыхаться от пластика. Вместо этого мы получим дополнительный источник энергии. Для науки это шаг к пониманию того, как управлять сложными химическими процессами на наноуровне. Ведь то, что ученые научились «раздвигать слои» материала, открывает дорогу для создания сверхэффективных катализаторов не только для переработки отходов, но и для других задач — например, для более чистого производства топлива или лекарств.

А в реальной жизни это может дать толчок к развитию местных предприятий. Представьте небольшой завод рядом с городской свалкой, который превращает пакеты и пленку в топливо для автобусов или отопления. Это не просто чистота, это рабочие места и экономия невозобновляемых ресурсов. Вместо того чтобы жечь нефть, мы будем использовать то, что уже произвели.

При всех достоинствах работы, важно понимать: пока это только лабораторный успех. Исследователи провели эксперимент с одним видом пластика — полиэтиленом низкой плотности. Но в реальном мире пластиковый мусор — это грязная смесь разных полимеров, этикеток, клея и остатков еды. Как поведет себя новый катализатор в таком «коктейле» — большой вопрос. Велика вероятность, что примеси быстро отравят его, и эффективность упадет. Кроме того, в процессе используется рутений, который относится к благородным металлам. Для промышленного масштаба это может оказаться дорогим удовольствием. Так что до создания огромных заводов, перерабатывающих тонны мусора, предстоит еще много работы.

Ранее ученые заметили, что микропластик сложно обнаружить в окружающей среде.