オークリッジ国立研究所の科学者たちは、買い物袋やまな板に広く使用されているプラスチックであるポリエチレンを、ガソリンやディーゼルと同様の燃料に変える比較的簡単な方法を開発した。このプロセスでは、安価なアルミニウムベースの溶融塩を使用してプラスチックの長い分子鎖をより小さな炭化水素に分解し、比較的穏やかな条件下で約60パーセントのガソリンを生成します。
ScienceDaily によると、エネルギー省オークリッジ国立研究所の研究者らは、世界で最も一般的なプラスチックの 1 つであるポリエチレンをガソリンやディーゼルと同様の燃料に変える新しい方法を開発しました。
ポリエチレンは買い物袋や白いプラスチックまな板などの製品に広く使用されており、最終的には大量の廃棄物になります。 ORNLチームの方法は、プラスチックと塩化アルミニウムを含む溶融塩を組み合わせる。これらの塩は 2 つの役割を同時に実行し、反応媒体と化学変換を促進する触媒の両方として機能します。
研究者らはこの技術の特許を申請し、その結果はJournal of the American Chemical Societyに掲載された。
溶融塩がプラスチックを燃料に分解する仕組み
このプロセスがなぜ機能するのかを理解するために、科学者たちはポリマーを燃料分子に変える化学反応を注意深く観察しました。
研究チームは、軟X線分光法と核磁気共鳴を用いて、帯電したアルミニウム原子が他の3つの原子と結合し、強酸性の触媒サイトを形成していることを発見した。これらの部位はポリエチレンを構成する長い分子鎖を攻撃し、より小さな炭化水素分子に分割する可能性があるとサイエンスデイリーが報じた。
同位体標識と中性子散乱を使用した追加の実験では、出発ポリマーの構造が生成する燃料にどのような影響を与えるかを示しました。より単純なポリマー鎖はガソリンのような化合物を生成する傾向がありましたが、より複雑な鎖はディーゼルのような燃料を生成しました。
この方法が最終的に室内実験を超えて拡張できれば、米国のエネルギー安全保障と産業競争力の強化に貢献できる可能性があると研究者らは述べている。
「私たちはポリエチレンを効率的かつ選択的にガソリンに変換する方法を開発しました」と、ORNLとUTKにあるSheng DaiのORNL研究室で研究の実験のほとんどを行ったテネシー大学ノックスビル校の博士研究員Liqi Qiu氏は語った。 ORNL コーポレートフェローであり、分離およびポリマー化学のセクションチーフである Dai は、この論文の共同連絡著者です。
実験では、比較的穏やかな反応条件下で約 60% のガソリン収率を達成しました。
摂氏200度以下でプラスチックをガソリンに変換
この方法の最も注目すべき特徴の 1 つは、従来のプラスチックから燃料への技術と比較して、必要な量がいかに少ないかということです。
「触媒部位を提供する反応媒体として市販の無機塩を使用することで、廃ポリマーを付加価値のある燃料に変換しました」と、論文の責任著者でもあるORNLスタッフの科学者ジェンジェン・ヤン氏はサイエンスデイリーに引用されているように述べた。
「従来のポリマーから燃料への技術とは異なり、新しいプロセスは貴金属触媒、有機溶媒、外部水素を必要としませんでした。触媒開始剤や溶媒を使用せず、摂氏200度未満の温度で廃棄物から高付加価値の化学物質を製造するための媒体として溶融塩が使用されたのはこれが初めてです」とZhenzhen氏は付け加えた。
エネルギー省オークリッジ国立研究所の研究者らは、世界で最も一般的なプラスチックの一つであるポリエチレンをガソリンやディーゼルと同様の燃料に変える新しい方法を開発した。
ポリエチレンは買い物袋や白いプラスチックまな板などの製品に広く使用されており、最終的には大量の廃棄物になります。 ORNLチームの方法は、プラスチックと塩化アルミニウムを含む溶融塩を組み合わせる。これらの塩は 2 つの役割を同時に実行し、反応媒体と化学変換を促進する触媒の両方として機能します。
研究者らはこの技術の特許を申請し、その結果はJournal of the American Chemical Societyに掲載された。
溶融塩がプラスチックを燃料に分解する仕組み
このプロセスがなぜ機能するのかを理解するために、科学者たちはポリマーを燃料分子に変える化学反応を注意深く観察しました。
ScienceDaily によると、研究チームは軟 X 線分光法と核磁気共鳴を用いて、帯電したアルミニウム原子が他の 3 つの原子と結合し、強酸性の触媒サイトを生成することを発見しました。これらの部位は、ポリエチレンを構成する長い分子鎖を攻撃し、より小さな炭化水素分子に分割する可能性があります。
同位体標識と中性子散乱を使用した追加の実験では、出発ポリマーの構造が生成する燃料にどのような影響を与えるかを示しました。より単純なポリマー鎖はガソリンのような化合物を生成する傾向がありましたが、より複雑な鎖はディーゼルのような燃料を生成しました。
この方法が最終的に室内実験を超えて拡張できれば、米国のエネルギー安全保障と産業競争力の強化に貢献できる可能性があると研究者らは述べている。
「私たちはポリエチレンを効率的かつ選択的にガソリンに変換する方法を開発しました」と、ORNLとUTKにあるSheng DaiのORNL研究室で研究の実験のほとんどを行ったテネシー大学ノックスビル校の博士研究員Liqi Qiu氏は語った。 ORNL コーポレートフェローであり、分離およびポリマー化学のセクションチーフである Dai は、この論文の共同連絡著者です。
実験では、比較的穏やかな反応条件下で約 60% のガソリン収率を達成しました。
摂氏200度以下でプラスチックをガソリンに変換
この方法の最も注目すべき特徴の 1 つは、従来のプラスチックから燃料への技術と比較して、必要な量がいかに少ないかということです。
「触媒部位を提供する反応媒体として市販の無機塩を使用することで、廃ポリマーを付加価値のある燃料に変換しました」と、論文の責任著者でもあるORNLスタッフの科学者ジェンジェン・ヤン氏は述べた。 「従来のポリマーから燃料への技術とは異なり、新しいプロセスは貴金属触媒、有機溶媒、外部水素を必要としませんでした。触媒開始剤や溶媒を使用せず、摂氏200度未満の温度で廃棄物から高付加価値の化学物質を製造するための媒体として溶融塩が使用されたのはこれが初めてです。」
化学を原子ごとに追跡する
ORNL では、Luke Daemen 氏が中性子散乱を利用して、さまざまなポリマー鎖が反応したときに生成される炭化水素生成物の特定に役立てました。 Felipe Polo-Garzon 氏は、個々の化合物を分離して同定するために使用される技術であるガスクロマトグラフィー質量分析法を使用して生成物を分析しました。
ポリエチレンがアルミニウムの触媒部位と相互作用すると、反応により正に帯電した炭素イオンが生成されます。 Qiu、Yang、Dai はその炭素イオンに水素の同位体である重水素をタグ付けし、反応の進行に伴って何が起こるかを観察できるようにしました。
チームはまた、ORNL の核破砕中性子源で中性子を使用して、システム内の水素を監視しました。
「ポリマーには大量の水素が含まれています」とダイ氏は語った。 「中性子は、水素や重水素などの同位体を含む軽元素を識別するのに最適です。」
研究者らはまた、プロセス中にアルミニウムの位置がどのように変化したかを判断する必要もあった。
ヤン氏はローレンス・バークレー国立研究所の先進光源を訪れ、そこでキム・ミンジェ氏と郭金華氏とともに研究を行った。研究者らは軟X線を使用して、アルミニウムとポリエチレンの相互作用を原子レベルと電子レベルの両方で調べた。 ScienceDaily によると、軟 X 線はアルミニウムなどの比較的軽い元素の研究に特に役立ちます。
「アルミニウムのエッジは、電子密度の低いエッジに移動しました。これは、電子が豊富な中間体が形成されたことを意味します」とヤン氏は述べた。
「我々はこの発見を他の技術と比較し、芳香環中間体がアルミニウムと配位し、結合エネルギーの変化を引き起こす可能性があることを確認した」とYang氏は付け加えた。
この変化は、アルミニウム部位が化学反応を積極的に触媒しているという証拠を提供しました。
シミュレーションと高度なイメージングでメカニズムを解明
ORNL に戻り、ナノ相材料科学センターのボビー・サンプター氏はコンピューター シミュレーションを使用して、安定した炭素イオンがどのように形成され、炭化水素製品に移動するかなど、反応中に発生するエネルギー変化を研究しました。
UTK では、Michael Koehler がその場 X 線回折を使用して、化学反応の進行に伴う反応混合物の相の変化を追跡しました。カルロス アルベルト ステレンは、核磁気共鳴を使用してアルミニウムの触媒部位を調査しました。
ORNL の Tao Wang 氏は溶融塩化学の専門知識に貢献し、ORNL の Logan Kearney 氏は高密度ポリマーを提供し、より高価値の製品に変換する可能性のあるルートについて専門家の指導を提供しました。
残された課題: 塩を安定に保つこと
アルミニウムベースの触媒システムは安価で化学的に活性ですが、重要な制限があります。吸湿性のある素材なので、水を吸収しやすいのです。湿気により安定性が低下する可能性があります。
研究者らは現在、溶融塩を制限する方法を調査したいと考えており、塩の安定性を向上させながら、塩の分離と処理を容易にするハロゲンまたは炭素ベースの材料を使用する可能性がある。
2026 年 9 月 22 日発行
