Улучшение карбида вольфрама: перспективная альтернатива для современных применений

Эндрю Корселли

Скольжение вольфрама: эволюция карборизации (изображенная сферами) под кинетическим контролем (иллюстрированная поверхностными контурами). Молекулярные пучки представляют газовое эволюцию под условиями синтеза, в то время как огненная сфера подсвечивает формирование чистой фазы полукарбида вольфрама с дополнительными молекулярными пучками наверху для иллюстрации его каталитической производительности. (Изображение: Иллюстрация Синхары М. Х. Д. Перера)

Важные повседневные продукты — от пластиков до моющих средств — производятся через химические реакции, которые в основном используют благородные металлы, такие как платина, как катализаторы. Ученые годами ищут более устойчивые, низкозатратные замены, и карбид вольфрама — обильный в земной коре металл, обычно используемый для промышленных машин, режущих инструментов и долот — является перспективным кандидатом.

Но карбид вольфрама имеет свойства, ограничивающие его применения. Марк Порософф, доцент Университета Рочестера, кафедра химической и устойчивой инженерии, и его сотрудники недавно достигли нескольких ключевых достижений, чтобы сделать карбид вольфрама более жизнеспособной альтернативой платине в химических реакциях.

Синхара Перера, аспирант химической инженерии в лаборатории Порософфа, сказал, что часть того, что делает карбид вольфрама сложным катализатором для производства ценных продуктов, заключается в том, что его атомы могут быть расположены во многих разных конфигурациях — известных как фазы.

"Не было четкого понимания поверхностной структуры карбида вольфрама, потому что действительно трудно измерить каталитическую поверхность внутри камер, где происходят эти химические реакции", — сказал Перера.

В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, Порософф, Перера и студент химической инженерии Ева Чуффетти '27 преодолели эту проблему, очень тщательно манипулируя частицами карбида вольфрама на наноуровне внутри химического реактора — сосуда, где температуры могут достигать выше 700 °C. Используя процесс, называемый температурно-программированной карборизацией, они создали катализаторы карбида вольфрама в их желаемой фазе внутри реактора, запустили реакцию, а затем изучили, какие версии работали лучше всего.

Вот эксклюзивное интервью Tech Briefs, отредактированное для длины и ясности, с Порософфом.

Жар включен: Тепло передается от частицы, проходящей экзотермическую реакцию (красная), к частице, проходящей эндотермическую реакцию (синяя). Термический зонд возбуждает частицу инфракрасным светом, и частица излучает зеленый свет, обеспечивая более точную форму измерения температуры для поверхностей катализаторов, чем исследователи ранее могли достичь. (Изображение: Иллюстрация Синхары М. Х. Д. Перера)

Tech Briefs: Какая была самая большая техническая проблема при выполнении температурно-программированной карборизации?

Порософф: Было пару проблем; они относятся к нескольким разным вещам. Первая в том, что фаза карбида вольфрама, на которую мы целились, является метастабильной фазой. Она менее термодинамически стабильна, чем эта гексагональная фаза. Так что мы хотели нацелиться на орторамбическую бета W2C, но термодинамика фаворит дельта WC. Это одна проблема.

Следующая проблема в том, что эти материалы очень пирофорны, и это значит, что они будут гореть, когда они экспонированы к воздуху. Так что требование в том, что мы — если мы хотим сделать любую характеристику после того, как мы сделали материал или переместить его в реактор — должны сделать пассивацию, что значит, что мы делаем контролируемое окисление с низкой концентрацией кислорода. Это образует защитный оксидный слой на поверхности материала.

И проблема в том, что как только вы формируете этот защитный оксидный слой, материал никогда не бывает тем же снова. Катализатор навсегда отличается. Когда мы пытаемся сделать характеристику или реакторные исследования на этом пассивированном материале, вещи, которые мы измеряем, не отражают истинную природу того материала. Чтобы облегчить эту проблему, нам пришлось придумать новый протокол для проведения in-situ карборизации, что значит, что мы сделали материал в реакторе, где мы делали эти исследования CO2 конверсии, и затем немедленно начали реакцию без какого-либо воздействия воздуха.

Tech Briefs: Можете ли вы объяснить простыми терминами, что такое температурно-программированная карборизация?

Порософф: Температурно-программированная карборизация означает, что мы начинаем с пред-катализатора, оксида вольфрама. Затем мы должны термически обработать оксид вольфрама в газах карборизации, чтобы сделать карбид вольфрама. Процесс включает течение газообразных углеродных предшественников, которые в этом случае — метан, вместе с водородом под температурным нагревом. Так что температура увеличивается и следует специфической программе, пока эти газы текут. Коротко, это значит, что мы течем метан и водород, пока мы меняем и увеличиваем температуру для конвертации оксида вольфрама в карбид вольфрама.

Tech Briefs: Как карбид вольфрама может помочь с гидрокрекингом? И можете ли вы объяснить, что такое гидрокрекинг?

Порософф: Гидрокрекинг — это серия реакций, которая использует водород для разрыва углерод-углеродных связей. И причина, почему это важно, в том, что пластики, как полиолефины, полиэтилен, полипропилен состоят из этих очень длинных цепей углерод-углеродных связей. Так что если мы хотим взять эти большие пластики — как бутылки для воды, пластиковые отходы — и затем повторно использовать или переработать их, мы должны быть способны разрывать эти связи эффективно. И для разрыва этих связей, вам нужно две функции. Вам нужна кислотная функция, и вам нужна металлическая функция.

Часть карбида вольфрама имеет ту металлическую функциональность. И затем есть также эти оксидные группы, присутствующие на поверхности — оксиды вольфрама — которые могут выполнять кислотную функциональность. Так что эти две функции присутствуют внутри этих карбидных катализаторов.

Tech Briefs: Каковы ваши будущие планы?

Порософф: Мы продолжаем исследовать потенциал карбидных катализаторов для различных реакций для увеличения энергетической эффективности.