Ligand-Aided Glycolysis of PET Using Functionalized Silica-Supported Fe2O3 Nanoparticles

催化作用 介孔二氧化硅 化学 配体(生物化学) X射线光电子能谱 水溶液中的金属离子 反应性(心理学) 多相催化 纳米颗粒 金属 无机化学 介孔材料 组合化学 材料科学 化学工程 有机化学 纳米技术 生物化学 受体 工程类 医学 替代医学 病理
作者
Éadaoin Casey,Rachel Breen,Jennifer S. Gómez,Arno P. M. Kentgens,Gerard Pareras,Albert Rimola,Justin D. Holmes,Gillian Collins
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (43): 15544-15555 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c03585
摘要

The development of efficient catalysts for the chemical recycling of poly(ethylene terephthalate) (PET) is essential to tackling the global issue of plastic waste. There has been intense interest in heterogeneous catalysts as a sustainable catalyst system for PET depolymerization, having the advantage of easy separation and reuse after the reaction. In this work, we explore heterogeneous catalyst design by comparing metal-ion (Fe3+) and metal-oxide nanoparticle (Fe2O3 NP) catalysts immobilized on mesoporous silica (SiO2) functionalized with different N-containing amine ligands. Quantitative solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy confirms successful grafting and elucidates the bonding mode of the organic ligands on the SiO2 surface. The surface amine ligands act as organocatalysts, enhancing the catalytic activity of the active metal species. The Fe2O3 NP catalysts in the presence of organic ligands outperform bare Fe2O3 NPs, Fe3+-ion-immobilized catalysts and homogeneous FeCl3 salts, with equivalent Fe loading. X-ray photoelectron spectroscopy analysis indicates charge transfer between the amine ligands and Fe2O3 NPs and the electron-donating ability of the N groups and hydrogen bonding may also play a role in the higher performance of the amine-ligand-assisted Fe2O3 NP catalysts. Density functional theory (DFT) calculations also reveal that the reactivity of the ion-immobilized catalysts is strongly correlated to the ligand–metal binding energy and that the products in the glycolysis reaction catalyzed by the NP catalysts are stabilized, showing a significant exergonic character compared to single ion-immobilized Fe3+ ions.
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