Переработка кремния из отслуживших свой срок солнечных модулей с помощью наночастиц палладия
Аккумулятор FIAMM 12 FLB 100 P
Исследователи из Италии разработали катализатор Pd/Si для переработки кремния из отслуживших свой срок фотоэлектрических панелей. Система показала эффективность, сравнимую с коммерческими катализаторами на основе кремния, и стабильно работала в течение шести циклов.
Исследовательская группа из Италии предложила метод переработки кремния (Si) из фотоэлектрических панелей с истекшим сроком службы (EoL) путем разработки каталитической системы Pd / Si. В этой конфигурации наночастицы палладия (Pd) нанесены на восстановленный кремний, где Pd проявляет каталитическую активность, в то время как кремний (Si) действует как стабилизирующий многоразовый носитель. Система предназначена для проведения реакций перекрестного связывания, широко используемых в фармацевтике и тонкой химии.
«В этом исследовании представлена стратегия обращения с быстро растущим объемом отходов солнечных панелей, выработавших свой ресурс, которая позволяет добиться результатов, сопоставимых с уже существующими гетерогенными катализаторами на основе палладия, — заявили ученые. — Эта работа открывает возможности для более широкого использования кремния, полученного из фотоэлектрических панелей, в качестве универсальной гетерогенной подложки для широкого спектра каталитических систем на основе металлов, тем самым расширяя возможности их применения в различных каталитических процессах».
Чтобы подготовить системы Pd/Si, исследователи сначала удалили переднее стекло отработанных фотоэлектрических модулей, нагрев его для размягчения этиленвинилацетатного (ЭВА) герметика, при этом сам ЭВА, кремниевые элементы и тыльная сторона модуля остались нетронутыми. Материал разрезали на небольшие кусочки и обработали тетрагидрофураном (ТГФ) при температуре 60 °C, чтобы ЭВА набух и кремниевые элементы отделились друг от друга. Затем извлеченные клетки были очищены с помощью двухэтапного процесса химического выщелачивания: сначала использовался гидроксид натрия (NaOH) для растворения алюминиевого обратного контакта, а затем азотная кислота (HNO₃) для удаления серебряных контактов.
После промывки и термической обработки при температуре 500 °C очищенный кремний измельчили в шаровой мельнице до состояния мелкого порошка чистотой 86 % по массе. Для получения катализатора порошок суспендировали в диэтиленгликоле, добавили прекурсор палладия (H₂PdCl₄) и отрегулировали pH с помощью NaOH. Смесь нагревали при температуре 130 °C в атмосфере аргона, чтобы восстановить палладий и сформировать наночастицы палладия на поверхности кремния, в результате чего получился катализатор Pd/Si. Катализатор на основе восстановленного кремния, названный Pd/Si_EoLPV, сравнили с эталонным катализатором, приготовленным с использованием коммерческого металлургического порошка кремния, Pd/Si.MP-AES.
«Мы решили оценить полезность и эффективность этой каталитической системы на примере широко распространенной эталонной реакции Мизороки–Хека. Мы решили сравнить ее с традиционными катализаторами, такими как палладий на угле, уделив особое внимание каталитической активности, выщелачиванию палладия и возможности вторичной переработки», — рассказали ученые. «Мы также оценили эффективность катализатора, применив его для получения промышленно значимых продуктов, природных соединений и промежуточных продуктов для активных фармацевтических ингредиентов (АФИ), что подчеркивает его потенциал как устойчивого и перспективного катализатора для возможного применения».
Анализ показал, что Pd/Si_EoLPV по эффективности не уступает катализатору на основе коммерческого кремниевого порошка. Переработанный материал оставался стабильным в течение шести последовательных циклов реакции, при этом выщелачивание палладия не превышало 3 ppm. Эти результаты соответствуют числу оборотов (TON) 5820 и частоте оборотов (TOF) 582 ч⁻¹. TON показывает количество каталитических циклов до дезактивации, а TOF — скорость реакции в час.
В граммовом масштабе катализатор использовался в пяти циклах рециркуляции, в результате чего было получено 48,5 ммоль продукта с выходом 97 % и E-фактором 9. Кроме того, катализатор Pd/Si был использован для синтеза 22 субстратов из различных йодоаренов и олефинов, в том числе промежуточных продуктов для рилпивирина, ингибиторов липопротеин-ассоциированной фосфолипазы А2 и метил-2-ферулятов.
Новый процесс переработки был представлен в статье “Переработка кремния из отработанных фотоэлектрических панелей в гетерогенный катализатор для Mizoroki–Перекрестное сцепление Хека”, опубликованное в Green Chemistry. Исследователи из Итальянского университета Mediterranea в Реджо-Ди-Калабрии, Университета Перуджи, и Итальянского национального агентства новых технологий, энергетики и устойчивого экономического развития (ENEA) внесли свой вклад в исследование.