エンジニアらはレーザーと二次元材料を組み合わせて、リサイクルのためにプラスチックを構成要素に分解しました。

文：Anthropocene Team
2024年7月18日

何百万トンものプラスチック廃棄物をどう処理すればいいのか、まだよくわかっていません。科学者の推定によれば、プラスチック廃棄物の9％しかリサイクルされておらず、12％は焼却炉で燃やされています。プラスチック産業は、このような課題への解決策として、新しいケミカル・リサイクル技術に目を向けています。しかし、これらの技術は解決策になるどころか問題を引き起こしています。

研究者たちは現在、プラスチック廃棄物に関する取り組みにおいて、レーザーという新たな手段に目を向けています。オースティン大学と東北大学の技術者たちは、レーザーパルスでプラスチックを叩くことで、プラスチック分子を構成要素に分解し、有用なカーボンナノマテリアルを生成しました。

プラスチックは、ネックレスのビーズのように繋ぎ合わされた長くて丈夫な分子の鎖になっています。これらの有機分子は、炭素、酸素、水素、窒素などの様々な元素からできています。

『Nature Communications』誌で報告されたこの新しい研究は、炭素原子と水素原子の結合が選択的に切断され、新しい化学結合に変化するC-H活性化と呼ばれる反応に焦点を当てています。

この方法の成功の鍵は、原子レベルの厚さしかない別の材料にあります。この二次元材料は遷移金属ジカルコゲナイドと呼ばれるもので、研究者たちはレーザー処理の前にまず、この上にプラスチックを重ねます。低出力のレーザー光を照射すると、この2次元材料はC-H活性化反応を引き起こし、炭素と水素を遊離します。

水素原子は互いに結合して水素となり、気体として放出されます。そして炭素原子は互いに結合し、発光するカーボン・ドットとして知られる小さなナノサイズの結晶を形成します。炭素ベースのナノ材料は、その多くの機能から需要が高く、このカーボン・ドットは次世代コンピューター機器のメモリー装置として使用できる可能性があります。

プレスリリースの中で研究チームは、光駆動型C-H活性化プロセスを最適化し、産業用途向けにスケールアップするためには、さらなる研究開発が必要であると指摘しています。

しかし、このレーザーと2次元材料を用いた炭素と水素の結合の切断は、「複雑な有機分子において、化学合成、フォトニクス、有機汚染物質の分解、プラスチックのリサイクルなどへの応用に新たな可能性を開くだろう」と研究チームは論文に書いています。

出典：Jingang Li et al. Light-driven C–H activation mediated by 2D transition metal dichalcogenides. Nat. Commun. 2024.
画像： Anthropocene Magazine