Улучшение карбида вольфрама:многообещающая альтернатива для современных применений

Эндрю Корселли

Скольжение вольфрама:эволюция науглероживания (изображено сферами) под кинетическим контролем (показано контурами поверхности). Молекулярные лучи представляют собой выделение газа в условиях синтеза, в то время как огненная сфера подчеркивает образование фазы чистого полукарбида вольфрама с дополнительными молекулярными лучами вверху, чтобы проиллюстрировать ее каталитическую эффективность. (Изображение:иллюстрация Синхары М.Х.Д. Переры)

Важные повседневные продукты — от пластмасс до моющих средств — производятся посредством химических реакций, в которых в качестве катализаторов в основном используются драгоценные металлы, такие как платина. Ученые уже много лет ищут более экологичные и недорогие заменители, и карбид вольфрама — распространенный на Земле металл, обычно используемый в промышленном оборудовании, режущих инструментах и долотах — многообещающий кандидат.

Однако карбид вольфрама обладает свойствами, которые ограничивают его применение. Марк Поросов, доцент кафедры химической инженерии и устойчивого развития Рочестерского университета, и его коллеги недавно добились нескольких ключевых достижений, позволяющих сделать карбид вольфрама более жизнеспособной альтернативой платине в химических реакциях.

Синхара Перера, доктор химических наук. Студент лаборатории Поросова сказал, что карбид вольфрама является трудным катализатором для производства ценных продуктов отчасти потому, что его атомы могут располагаться во многих различных конфигурациях, известных как фазы.

«Не было четкого понимания структуры поверхности карбида вольфрама, потому что очень сложно измерить каталитическую поверхность внутри камер, где происходят эти химические реакции», — сказал Перера.

В исследовании, опубликованном в журнале ACS Catalysis , Поросов, Перера и студентка бакалавриата химического машиностроения Ева Чуффетелли '27 преодолели эту проблему, очень тщательно манипулируя частицами карбида вольфрама на наноуровне внутри химического реактора — сосуда, температура которого может достигать более 700 °C. Используя процесс, называемый температурно-программируемой цементацией, они создали катализаторы из карбида вольфрама в желаемой фазе внутри реактора, запустили реакцию, а затем изучили, какие версии показали себя лучше всего.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Поросовым, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Нагрев включен:тепло передается от частицы, подвергающейся экзотермической реакции (красный цвет), к частице, подвергающейся эндотермической реакции (синий). Термический зонд возбуждает частицу инфракрасным светом, и частица излучает зеленый свет, обеспечивая более точное измерение температуры поверхностей катализаторов, чем исследователи могли достичь ранее. (Изображение:иллюстрация Синхары М.Х.Д. Переры)

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при выполнении температурно-программируемой цементации?

Поросов :Было пару проблем; они относятся к нескольким разным вещам. Во-первых, фаза карбида вольфрама, на которую мы ориентировались, является метастабильной фазой. Она менее термодинамически стабильна, чем эта гексагональная фаза. Итак, мы хотели нацелиться на ромбический бета-W2C, но термодинамика отдает предпочтение дельта-WC. Это одна из проблем.

Следующей проблемой было то, что эти материалы очень пирофорны, а это означает, что они воспламеняются при контакте с воздухом. Итак, требование состоит в том, что мы — если мы хотим провести какие-либо характеристики после того, как мы изготовим материал или переместим его в реактор — должны провести пассивацию, что означает, что мы проводим контролируемое окисление с низкой концентрацией кислорода. Это образует защитный оксидный слой на поверхности материала.

Проблема в том, что как только вы сформируете этот защитный оксидный слой, материал уже никогда не будет прежним. Катализатор всегда другой. Когда мы пытаемся провести характеристику или исследование реактора этого пассивированного материала, то, что мы измеряем, не отражает истинную природу этого материала. Чтобы решить эту проблему, нам пришлось разработать новый протокол для выполнения на месте. карбонизация, что означает, что мы создали материал в реакторе, где мы проводили исследования по конверсии CO2, а затем сразу же начали реакцию без какого-либо воздействия воздуха.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, что такое температурная программа цементации?

Поросов :Науглероживание с программированием температуры означает, что мы начинаем с предварительного катализатора — оксида вольфрама. Затем нам необходимо термически обработать оксид вольфрама в газах науглероживания, чтобы получить карбид вольфрама. В процессе происходит протекание газообразных предшественников углерода, которым в данном случае является метан, вместе с водородом под температурным режимом. Итак, температура повышается и следует определенной программе, пока эти газы текут. Короче говоря, это означает, что мы пропускаем метан и водород, одновременно меняя и повышая температуру, чтобы превратить оксид вольфрама в карбид вольфрама.

Технические обзоры :Как карбид вольфрама может помочь при гидрокрекинге? А можете объяснить, что такое гидрокрекинг?

Поросов :Гидрокрекинг — это серия реакций, в которых используется водород для разрыва углерод-углеродных связей. И причина, по которой это важно, заключается в том, что такие пластмассы, как полиолефины, полиэтилен и полипропилен, состоят из очень длинных цепочек углерод-углеродных связей. Итак, если мы хотим взять эти большие пластмассовые предметы, такие как бутылки с водой, пластиковые отходы, а затем повторно использовать или переработать их, мы должны быть в состоянии эффективно разрывать эти связи. И чтобы разорвать эти связи, вам нужны две функции. Вам нужна кислотная функция и вам нужна металлическая функция.

Деталь из карбида вольфрама обладает металлической функциональностью. Кроме того, на поверхности присутствуют оксидные группы — оксиды вольфрама, которые могут выполнять кислотную функцию. Итак, эти две функции присутствуют в этих карбидных катализаторах.

Технические обзоры :Какие у вас планы на будущее?

Поросов :Мы продолжаем исследовать потенциал карбидного катализатора для различных реакций с целью повышения энергоэффективности.