Ученые из Китая добавили к полистиролу элементарную серу и облучили полученную смесь солнечным светом. В результате химики выделили 2,4-дифенилтиофен и 1,3,5-трифенилбензол — востребованные компоненты для создания функциональных материалов. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.
В переработке пластиковых отходов сложилась непростая ситуация с полистиролом. В год производится около 20 миллионов тонн этого пластика, который используется во многих областях, от пенопластовой упаковки бытовой техники до строительных материалов. При этом его почти не перерабатывают из-за целого ряда проблем, среди которых особо выделяются энергозатратность, высокая термомеханическая деструкция в процессе переработки, большое разнообразие марок, сложность предварительной обработки и очистки загрязнений (в том числе и очистка от пищевых отходов).
Один из немногих рабочих методов переработки — окислительный апсайклинг. Суть метода состоит в окислении полистирола кислородом с получением новых соединений, причем более ценных, чем изначальный полимер. Однако его преимущества перечеркиваются рядом недостатков, связанных со сложностью выстраивания химико-технологическоих процессов по подаче кислорода и отводу продуктов, которые являются легколетучими и токсичными.
Лю Хэн (Heng Liu) из Даляньского института химической физики Китайской академии наук и его коллеги предложили альтернативный метод апсайклинга, в котором заменили кислород на элементарную серу. Исследователи выбрали ее из-за электронной структуры этого элемента, которая позволяет реагировать по различным механизмам, что дает разнообразие возможных реакций с полимером. Кроме того, такой подход позволил бы найти применение маловостребованной элементарной серы, миллионы тонн которой остаются после переработки нефти.
В процессе разработки методики апсайклинга китайские ученые провели следующий эксперимент: смешали полистироловые отходы с элементарной серой, после чего направили солнечный свет на смесь. Для концентрации солнечных лучей использовали вогнутое зеркало диаметром в 40 сантиметров. Солнечный свет разогревал смесь за счет фототермических свойств серы, что не только способствовало образованию радикалов для расщепления пластика, но и дополнительно ускоряло разложение полистирола благодаря нагреву.
В ходе реакции длинные цепи полистирола сначала теряли атомы водорода из-за радикалов серы, после чего гидрированные радикальные фрагменты элементарной серы реагировали с промежуточными соединениями с двойными связями, которые получились из исходного полистирола. На выходе в качестве основных продуктов получились два соединения: 2,4-дифенилтиофен и 1,3,5-трифенилбензол, с выходами 34 и 16 процентов соответственно. 2,4-дифенилтиофен может использоваться как основа для синтеза высокоэффективных полупроводниковых и фотоматериалов, в то время как 1,3,5-трифенилбензол, благодаря своей структуре, находит широкое применение в синтезе функциональных материалов. В качестве побочных продуктов образовались стирол и деградировавший полистирол.
Авторы провели ряд исследований механизма реакции и пришли к выводу, что сера участвует в реакции не только как реагент, но и как фототермический агент. Другие фототермические агенты, использованные командой, не давали таких же результатов по выходу, так как либо перегревали смесь, либо нагревали недостаточно. Эксперименты показали, что апсайклинг полистирола с использованием серы не требует каких-либо специфических условий. В частности, солнечный свет позволяет отказаться от дополнительного нагрева за счет электричества или сжигания топлива — а это стандартное условие большинства способов переработки полимеров. Таким образом, ученым удалось найти экономически выгодный способ переработки полистирола в востребованные химические соединения.
Несмотря на новые разработки, уровень переработки пластика остается чрезвычайно низким. Например, в 2022 году люди сожгли 34 процента проданного пластика, а 40 процентов были складированы на полигонах твердых бытовых отходов. В переработку ушло всего девять процентов.