Tái chế nhựa sạch hơn nhờ công nghệ xúc tác

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Delaware dẫn đầu đã phát triển thành công chất xúc tác mới, giúp chuyển đổi rác thải nhựa thành nhiên liệu lỏng nhanh và hiệu quả hơn so với các phương pháp hiện nay. Đây được xem là giải pháp đầy hứa hẹn cho bài toán ô nhiễm nhựa đang ngày càng nghiêm trọng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là hướng đến các phương pháp tái chế nhựa tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường đồng thời tạo ra nguồn nhiên liệu bền vững.

Giáo sư Dongxia Liu, tác giả chính của nghiên cứu và là Giáo sư Robert K. Grasseli về Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử tại Đại học Delaware chia sẻ: “Thay vì để nhựa tích tụ thành rác thải, việc tái chế sẽ coi chúng như một dạng nhiên liệu rắn có thể chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng và các hóa chất hữu ích – mang lại giải pháp tái chế nhanh chóng, hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn".

Một trong những phương pháp tái chế triển vọng được nhóm nghiên cứu sử dụng là hydro phân – kỹ thuật dùng khí hydro kết hợp với chất xúc tác để phá vỡ các phân tử polymer trong nhựa, tạo ra nhiên liệu lỏng dùng trong giao thông vận tải và công nghiệp. Tuy nhiên, các chất xúc tác truyền thống thường gặp khó khăn trong việc xử lý các chuỗi polymer lớn, làm giảm hiệu suất phản ứng.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng MXenes, một loại vật liệu nano cấu trúc hai chiều. Ali Kamali, nghiên cứu sinh tiến sĩ và là tác giả đầu tiên của công trình giải thích: “MXene bao gồm các lớp mỏng xếp chồng như trang sách. Khi những lớp này dính sát nhau, nhựa nóng chảy khó có thể di chuyển qua, làm giảm khả năng tiếp xúc với chất xúc tác".

Một mẫu nhiên liệu lỏng được tạo ra từ nhựa đang được nhà nghiên cứu kiểm tra. 

Nhóm nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng cách chèn các trụ silica vào giữa các lớp MXene để tạo ra cấu trúc lỗ xốp, giúp mở rộng không gian giữa các lớp và tạo điều kiện cho polymer chảy qua dễ dàng hơn. Sau đó, họ đưa kim loại ruthenium vào cấu trúc MXene lỗ xốp và thử nghiệm chất xúc tác này với polyethylene mật độ thấp (LDPE), loại nhựa phổ biến trong túi ni lông và màng bọc thực phẩm.

Trong một lò phản ứng áp suất thấp, LDPE được trộn với chất xúc tác và khí hydro, sau đó đun nóng đến trạng thái giống siro đặc. Kết quả cho thấy chất xúc tác mới giúp đẩy nhanh tốc độ phản ứng gần gấp đôi so với phương pháp trước đó, đồng thời có tính chọn lọc cao, tạo ra nhiên liệu lỏng hiệu quả và hạn chế sinh ra các sản phẩm phụ như khí mê-tan.

Theo Giáo sư Liu, hiệu quả vượt trội này là nhờ sự ổn định của các hạt nano ruthenium được giữ vững trong cấu trúc MXene. “Chúng tôi đã tạo ra một loại vật liệu không chỉ tăng tốc quá trình chuyển đổi mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm đầu ra. Đây là bước tiến quan trọng, cho thấy tiềm năng lớn của các chất xúc tác cấu trúc nano xốp trong việc nâng cao hiệu quả tái chế nhựa”, Giáo sư Liu nhấn mạnh.

Hướng tới tương lai, nhóm nghiên cứu tại Đại học Delaware dự định tiếp tục cải tiến chất xúc tác và xây dựng một thư viện các chất xúc tác nền MXene phù hợp với từng loại nhựa khác nhau. Họ cũng mong muốn hợp tác với doanh nghiệp để hiện thực hóa mục tiêu biến rác thải nhựa thành nguồn tài nguyên, góp phần sản xuất nhiên liệu và hóa chất có giá trị, phục vụ cho cả môi trường lẫn phát triển kinh tế địa phương.

Các đồng tác giả khác của nghiên cứu bao gồm Song Luo và một số nghiên cứu sinh sau đại học từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử của Đại học Delaware.

Tiểu My