Verbetering van wolfraamcarbide:een veelbelovend alternatief voor moderne toepassingen

Andrew Corselli

Slip van het wolfraam:de evolutie van de carbonisatie (weergegeven door de bollen) onder kinetische controle (geïllustreerd door de oppervlaktecontouren). De moleculaire bundels vertegenwoordigen de gasontwikkeling onder syntheseomstandigheden, terwijl de vurige bol de vorming van de zuivere wolfraamsemi-carbidefase benadrukt met extra moleculaire bundels bovenaan om de katalytische prestaties ervan te illustreren. (Afbeelding:illustratie door Sinhara M.H.D. Perera)

Belangrijke alledaagse producten – van kunststoffen tot wasmiddelen – worden gemaakt door middel van chemische reacties waarbij meestal edele metalen zoals platina als katalysator worden gebruikt. Wetenschappers zijn al jaren op zoek naar duurzamere, goedkopere vervangers, en wolfraamcarbide – een metaal dat veel op aarde voorkomt en vaak wordt gebruikt voor industriële machines, snijgereedschappen en beitels – is een veelbelovende kandidaat.

Maar wolfraamcarbide heeft eigenschappen die de toepassingen ervan hebben beperkt. Marc Porosoff, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Rochester, afdeling Chemical and Sustainability Engineering, en zijn medewerkers hebben onlangs een aantal belangrijke vorderingen gemaakt om van wolfraamcarbide een haalbaarder alternatief te maken voor platina in chemische reacties.

Sinhara Perera, een Ph.D. student in het laboratorium van Porosoff zei dat een deel van wat wolfraamcarbide tot een moeilijke katalysator maakt voor het produceren van waardevolle producten, is dat de atomen ervan in veel verschillende configuraties kunnen worden gerangschikt, ook wel fasen genoemd.

“Er is geen duidelijk inzicht in de oppervlaktestructuur van wolfraamcarbide, omdat het erg moeilijk is om het katalytische oppervlak te meten in de kamers waar deze chemische reacties plaatsvinden”, zegt Perera.

In een onderzoek gepubliceerd in ACS Catalysis Porosoff, Perera en studente chemische technologie Eva Ciuffetelli '27 hebben dit probleem overwonnen door zeer zorgvuldig wolfraamcarbidedeeltjes op nanoschaalniveau in de chemische reactor te manipuleren - een vat waar de temperatuur boven de 700 ° C kan oplopen. Met behulp van een proces dat temperatuurgeprogrammeerde carburatie wordt genoemd, creëerden ze wolfraamcarbidekatalysatoren in de gewenste fase in de reactor, voerden de reactie uit en bestudeerden vervolgens welke versies het beste presteerden.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Porosoff.

De verwarming staat aan:warmte wordt overgedragen van een deeltje dat een exotherme reactie ondergaat (rood) naar een deeltje dat een endotherme reactie ondergaat (blauw). Een thermische sonde exciteert een deeltje met infrarood licht, en het deeltje zendt groen licht uit, wat een nauwkeurigere vorm van temperatuurmeting voor de oppervlakken van katalysatoren oplevert dan onderzoekers eerder konden bereiken. (Afbeelding:illustratie door Sinhara M.H.D. Perera)

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens het uitvoeren van de temperatuurgeprogrammeerde carburatie?

Porosoff :Er waren een paar problemen; ze hebben betrekking op een paar verschillende dingen. De eerste is dat de fase van wolfraamcarbide waarop we ons richtten een metastabiele fase is. Het is thermodynamisch minder stabiel dan deze hexagonale fase. We wilden ons dus richten op orthorhombische bèta-W2C, maar de thermodynamica geeft de voorkeur aan delta-WC. Dat is een uitdaging.

De volgende uitdaging was dat deze materialen zeer pyrofoor zijn, wat betekent dat ze zullen ontbranden als ze aan lucht worden blootgesteld. Een vereiste is dus dat we – als we enige vorm van karakterisering willen uitvoeren nadat we het materiaal hebben gemaakt of het in een reactor hebben geplaatst – een passivatie moeten uitvoeren, wat betekent dat we een gecontroleerde oxidatie uitvoeren met een lage zuurstofconcentratie. Dat vormt deze beschermende oxidelaag op het oppervlak van het materiaal.

En het probleem is dat als je eenmaal die beschermende oxidelaag hebt gevormd, het materiaal nooit meer hetzelfde is. De katalysator is voor altijd anders. Wanneer we karakteriserings- of reactorstudies proberen uit te voeren op dat gepassiveerde materiaal, weerspiegelen de dingen die we meten niet de ware aard van dat materiaal. Om die uitdaging te verlichten, moesten we een nieuw protocol bedenken om in-situ te doen carbonisatie, wat betekent dat we het materiaal hebben gemaakt in de reactor waar we deze CO2-conversiestudies hebben uitgevoerd, en daarna onmiddellijk de reactie hebben gestart zonder enige blootstelling aan lucht.

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen wat het temperatuurprogramma carburatie is?

Porosoff :Temperatuurgeprogrammeerde carburatie betekent dat we beginnen met een voorkatalysator, wolfraamoxide. Vervolgens moeten we wolfraamoxide in de carburatiegassen thermisch behandelen om wolfraamcarbide te maken. Het proces omvat het laten stromen van gasvormige koolstofvoorlopers, in dit geval methaan, samen met waterstof onder een temperatuurstijging. De temperatuur stijgt dus en volgt een specifiek programma terwijl deze gassen stromen. Kort gezegd betekent dit dat we methaan en waterstof laten stromen terwijl we de temperatuur veranderen en verhogen om wolfraamoxide om te zetten in wolfraamcarbide.

Technische slips :Hoe kan wolfraamcarbide helpen bij hydrokraken? En kun je uitleggen wat hydrokraken is?

Porosoff :Hydrokraken is een reeks reacties waarbij waterstof wordt gebruikt om koolstof-koolstofbindingen te verbreken. En de reden dat dit belangrijk is, is omdat kunststoffen zoals polyolefinen, polyethyleen en polypropyleen uit zeer lange ketens van koolstof-koolstofbindingen bestaan. Dus als we deze grote kunststoffen – zoals waterflessen en afvalplastic – willen gebruiken en ze vervolgens willen hergebruiken of recyclen, moeten we die verbindingen efficiënt kunnen verbreken. En om die banden te verbreken heb je twee functies nodig. Je hebt een zuurfunctie nodig, en je hebt een metaalfunctie nodig.

Het wolfraamcarbide onderdeel heeft die metalen functionaliteit. En dan zijn er ook nog deze oxidegroepen op het oppervlak aanwezig – wolfraamoxiden – die zuurfunctionaliteit kunnen uitoefenen. Deze twee functies zijn dus aanwezig in deze carbidekatalysatoren.

Technische slips :Wat zijn je toekomstplannen?

Porosoff :We blijven het potentieel van carbidekatalysatoren voor verschillende reacties onderzoeken om de energie-efficiëntie te verhogen.