Первоначальный повод для исследования связан с работой, опубликованной в Nature Communications, под названием "Recycling the unrecyclable: New method reclaims materials from epoxy resins and composites". Эти эпоксидные смолы широко применяются в строительстве, инженерии, производстве, электронике, а также при создании обуви, строительных конструкций, корпусов самолётов и лопастей ветряных турбин с использованием углеволокна или стекловолокна. На практике они трудно утилизируются, поскольку это фактически пластики, разложение которых требует больших энергозатрат и иногда крайне жёстких условий.
Исследовательская команда, в состав которой входят представители Токийского университета, предложила использовать каталитический метод для безопасного и экономичного расщепления эпоксидных смол. По словам доцента Токийского университета Сюнцзе Цзиня: «Например, чтобы разложить армированные волокнами пластики, возможно применяемые в деталях самолётов, часто требуется температура свыше 500 градусов по Цельсию или агрессивные кислоты и щёлочи. Это сопряжено с энергетическими затратами, а жёсткие условия могут повредить волокна и другие материалы, которые мы пытаемся восстановить».
Учёные сосредоточились на каталитическом гидрогенолизе, но существующие катализаторы не подвергались многократному использованию, так как растворялись в процессе. «Чтобы решить эту проблему, мы создали новый твёрдый катализатор, который легко восстанавливается и повторно используется», — отмечает Цзинь. Разработанная конструкция основывается на нанесении двух металлов (Ni и Pd) на оксид церия, что позволяет эффективно взаимодействовать с эпоксидными смолами при относительно невысокой температуре.
Благодаря этому подходу спектр продуктов после расщепления соединений расширился, и можно восстанавливать углеродные и стекловолокна, а также фенольные соединения, востребованные в химической промышленности. При температуре около 180 градусов по Цельсию катализатор снижает энергозатраты по сравнению с ранее применяемыми методами и не повреждает волокна, давая им шанс на повторное использование. «Мы были рады увидеть, что результаты экспериментов почти полностью совпали с нашими прогнозами, а потом приятно удивились, когда оказалось, что катализатор можно использовать по меньшей мере пять раз без снижения эффективности», — рассказал Цзинь.
Одно из ключевых достоинств новой технологии — возможность многократного применения катализатора, что существенно уменьшает затраты и упростит промышленное внедрение. Профессор Кёко Нодзаки из кафедры химии и биотехнологии Токийского университета подчёркивает: «Хотя наш катализатор не требует столь высоких температур, ещё есть над чем работать в плане экологической безопасности используемого растворителя. Мы хотели бы снизить стоимость процесса, исключив из катализатора драгоценные металлы вроде палладия, а также повысить количество типов материалов, которые можно восстанавливать из различных эпоксидных смол».
Исследователи видят перспективу в дальнейших модификациях катализатора, ориентируясь на разные пластики, где присутствуют подобные связи между атомами углерода и кислорода. Попутно они планируют решать задачи, связанные с минимизацией побочных выбросов и повышением экономической эффективности, поскольку эпоксидные смолы уже давно занимают лидирующие позиции во множестве производственных отраслей.
Эксперименты учёных демонстрируют готовность идти дальше за пределы классической утилизации эпоксидных смол, открывая путь к их реальному переиспользованию и сохранению материалов, в том числе углеволокна и стекловолокна. В итоге разработанная методика создаёт дополнительные возможности для ответственного обращения с пластиками, обеспечивая рациональное применение ресурсов и сокращение экологического следа.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследовательская команда, в состав которой входят представители Токийского университета, предложила использовать каталитический метод для безопасного и экономичного расщепления эпоксидных смол. По словам доцента Токийского университета Сюнцзе Цзиня: «Например, чтобы разложить армированные волокнами пластики, возможно применяемые в деталях самолётов, часто требуется температура свыше 500 градусов по Цельсию или агрессивные кислоты и щёлочи. Это сопряжено с энергетическими затратами, а жёсткие условия могут повредить волокна и другие материалы, которые мы пытаемся восстановить».
Учёные сосредоточились на каталитическом гидрогенолизе, но существующие катализаторы не подвергались многократному использованию, так как растворялись в процессе. «Чтобы решить эту проблему, мы создали новый твёрдый катализатор, который легко восстанавливается и повторно используется», — отмечает Цзинь. Разработанная конструкция основывается на нанесении двух металлов (Ni и Pd) на оксид церия, что позволяет эффективно взаимодействовать с эпоксидными смолами при относительно невысокой температуре.
Благодаря этому подходу спектр продуктов после расщепления соединений расширился, и можно восстанавливать углеродные и стекловолокна, а также фенольные соединения, востребованные в химической промышленности. При температуре около 180 градусов по Цельсию катализатор снижает энергозатраты по сравнению с ранее применяемыми методами и не повреждает волокна, давая им шанс на повторное использование. «Мы были рады увидеть, что результаты экспериментов почти полностью совпали с нашими прогнозами, а потом приятно удивились, когда оказалось, что катализатор можно использовать по меньшей мере пять раз без снижения эффективности», — рассказал Цзинь.
Одно из ключевых достоинств новой технологии — возможность многократного применения катализатора, что существенно уменьшает затраты и упростит промышленное внедрение. Профессор Кёко Нодзаки из кафедры химии и биотехнологии Токийского университета подчёркивает: «Хотя наш катализатор не требует столь высоких температур, ещё есть над чем работать в плане экологической безопасности используемого растворителя. Мы хотели бы снизить стоимость процесса, исключив из катализатора драгоценные металлы вроде палладия, а также повысить количество типов материалов, которые можно восстанавливать из различных эпоксидных смол».
Исследователи видят перспективу в дальнейших модификациях катализатора, ориентируясь на разные пластики, где присутствуют подобные связи между атомами углерода и кислорода. Попутно они планируют решать задачи, связанные с минимизацией побочных выбросов и повышением экономической эффективности, поскольку эпоксидные смолы уже давно занимают лидирующие позиции во множестве производственных отраслей.
Эксперименты учёных демонстрируют готовность идти дальше за пределы классической утилизации эпоксидных смол, открывая путь к их реальному переиспользованию и сохранению материалов, в том числе углеволокна и стекловолокна. В итоге разработанная методика создаёт дополнительные возможности для ответственного обращения с пластиками, обеспечивая рациональное применение ресурсов и сокращение экологического следа.
