Stanford Chemiker fertigen Katalysator für die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen

The Choice is Ours (2016) Official Full Version (April 2019).

Anonim

Die Entwicklung von Kunststoffen auf Erdölbasis ist eine der Krönungsleistungen des 20. Jahrhunderts, aber mit hohen Kosten verbunden.

Ja, sie sind preiswert und verfügen über außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, die sie zu Materialien des täglichen Lebens gemacht haben.

Das enorme Ausmaß der Kunststoffherstellung und die Umweltfolgen, die mit der Entsorgung verbunden sind, haben jedoch die Grenzen aufgezeigt, denen der Planet mit unserem aktuellen "Nehmen, Machen und Entsorgen" -Modell der Ressourcennutzung begegnen kann. Biologisch abbaubare Kunststoffe, die aus erneuerbaren Quellen stammen, bieten eine attraktive Alternative, können aber bisher nicht mit dem Preis und der Leistung von Petroleum-Kunststoffen mithalten.

Jetzt berichten Forscher von Stanford und IBM Research über die Entwicklung neuer chemischer Ansätze, mit denen biologisch abbaubare Kunststoffe effizient und kostengünstig hergestellt werden können, die sich für die Herstellung verschiedenster Produkte wie Gabeln, medizinische Geräte und Gewebe eignen. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe von Nature Chemistry veröffentlicht.

Wie bei vielen chemischen Reaktionen erfordert die Herstellung biologisch abbaubarer Polyester die Unterstützung eines Katalysators - einer speziellen Klasse von Chemikalien, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöht oder sie über eine energetische Hürde stößt. Die Standardkatalysatoren, die zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen verwendet werden, sind auf Metallbasis, die schwierig oder teuer aus dem Endmaterial zu entfernen sind und in der Umwelt nicht abgebaut werden.

Die Forschungsgruppe um Robert Waymouth aus Stanford und James Hedrick von IBM Research präsentiert einen alternativen Katalysator aus organischen Verbindungen.

Die Forscher stellten den Katalysator her, indem sie übliche chemische Bestandteile - Thioharnstoff mit einem Metallalkoxid - umsetzten. Das Ergebnis ist ein Katalysator, der sowohl schnell als auch selektiv ist, was bedeutet, dass er die Reaktionen beschleunigt und erleichtert und dass er die Form oder Eigenschaften des resultierenden Polymers nicht verändert, wenn es einmal gebildet ist.

"Während viele Katalysatoren entweder schnell oder selektiv sind, sind diese Katalysatoren beides", sagte Robert Waymouth, der Robert-Eckles-Swain-Professor für Chemie in Stanford. "Sie sind einfach zu präparieren, einfach zu verwenden und können von jedermann mit Grundkenntnissen in Chemie problemlos übernommen werden."

Zusätzlich zu den Kosten- und Umweltauswirkungen ist das neue Katalysatordesign hochgradig abstimmbar, sagt Waymouth, und kann verwendet werden, um mehrere Kunststoffsorten zu erzeugen, die für verschiedene Funktionen geeignet sind. Die Arbeit kann Polymilchsäure erzeugen, ein kommerzieller kompostierbarer biologisch abbaubarer Polyester, der in Einweg-Kunststoffartikeln, wie Geschirr, Tassen, Platten und Gabeln, verwendet wird. Es gibt auch medizinische Anwendungen für resorbierbare Nähte, Implantate und Stents sowie biomedizinische Implantate und Materialien für die Wirkstofffreisetzung. Alltagsgegenstände wie Lebensmittelverpackungen und Vliesstoffe sind ebenfalls möglich.

Obwohl die Ergebnisse auf einem Jahrzehnt der Forschung basieren, sind sie nur die ersten Schritte, sagten die Forscher. Da diese Technik relativ einfach ist und die Katalysatoren leicht modifiziert werden, könnten diese Fortschritte zu einer neuen und allgemein nützlichen Klasse von Katalysatoren - und ebenso zu neuen und nützlichen biologisch abbaubaren Kunststoffen - führen, die über das hinausgehen, was in dieser Studie dargestellt wurde.

"Unser Katalysatordesign ist einfach und allgemein und könnte sich nicht nur für die Polymerisation, sondern auch für eine breite Palette organischer Reaktionen als nützlich erweisen", sagte Xiangyi Zhang, der Stanford-Doktorand, der die experimentellen Arbeiten leitete.

Neben Waymouth, Hedrick und Zhang wurde die Studie "Schnelle und selektive ringöffnende Polymerisationen durch Alkoxide und Thioharnstoffe" gemeinsam von Gavin Jones von IBM Research verfasst. Die Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation finanziert.

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