Wolframcarbide Verbeteren: Een Belovende Alternatief voor Moderne Toepassingen

Auteur: Andrew Corselli

Glijden van wolfram: De evolutie van carburering (afgebeeld door de spheren) onder kinetische controle (geïllustreerd door de oppervlaktecontouren). De moleculaire bundels vertegenwoordigen gasontwikkeling onder synthesecondities terwijl de vuurige sfeer de vorming van de zuivere wolfram semi-carbide fase benadrukt met additionele moleculaire bundels bovenaan om de katalytische prestaties te illustreren. (Afbeelding: Illustratie door Sinhara M. H. D. Perera)

Belangrijke alledaagse producten — van kunststoffen tot wasmiddelen — worden gemaakt door chemische reacties die voornamelijk edele metalen zoals platina als katalysatoren gebruiken. Wetenschappers zoeken al jaren naar duurzamere, laag-kost substituten, en wolframcarbide — een op aarde rijk metaal veel gebruikt voor industriële machines, snijgereedschappen en beitels — is een veelbelovende kandidaat.

Maar wolframcarbide heeft eigenschappen die de toepassingen beperken. Marc Porosoff, Associate Professor, Universiteit van Rochester, Afdeling Chemische en Duurzame Ingenieurswetenschappen, en zijn medewerkers bereikten recentelijk diverse belangrijke vooruitgang om wolframcarbide een meer levensvatbare alternatief voor platina in chemische reacties te maken.

Sinhara Perera, een chemische engineering Ph.D. student in Porosoff's lab, zei dat een deel van wat wolframcarbide een moeilijke katalysator maakt voor het produceren van waardevolle producten is dat de atomen in veel verschillende configuraties gerangschikt kunnen worden — bekend als fasen.

"Er is geen duidelijke begrip geweest van de oppervlaktestructuur van wolframcarbide omdat het echt moeilijk is om het katalytische oppervlak in de kamers te meten waar deze chemische reacties plaatsvinden," zei Perera.

In een studie gepubliceerd in ACS Catalysis, overkwamen Porosoff, Perera en chemische engineering undergraduate student Eva Ciuffetelli '27 dit probleem door wolframcarbide deeltjes op nanoschaal niveau binnen de chemische reactor — een vat waar temperaturen boven 700 °C kunnen stijgen — heel zorgvuldig te manipuleren. Met een proces genaamd temperatuur-geprogrammeerde carburering, creëerden ze wolframcarbide katalysatoren in hun gewenste fase binnen de reactor, voerden de reactie uit, en bestudeerden welke versies het beste presteerden.

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

De hitte is aan: Warmte wordt overgedragen van een deeltje dat een exothermische reactie ondergaat (rood) naar een deeltje dat een endothermische reactie ondergaat (blauw). Een thermische sensor exciteert een deeltje met infrarood licht, en het deeltje emiteert groen licht, wat een nauwkeurigere vorm van temperatuurmeting voor de oppervlaktes van katalysatoren biedt dan onderzoekers eerder bereikten. (Afbeelding: Illustratie door Sinhara M. H. D. Perera)

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging tijdens het uitvoeren van de temperatuur-geprogrammeerde carburering?

Porosoff: Er waren een paar kwesties; ze relateren aan een paar verschillende dingen. De eerste is dat de fase van wolframcarbide die we targetten een metastabiele fase is. Het is minder thermodynamisch stabiel dan deze hexagonale fase. Dus, we wilden orthorhombische beta W2C targetten, maar thermodynamica favoriseert delta WC. Dat is één uitdaging.

De volgende uitdaging was dat deze materialen erg pyrofors zijn, en dat betekent dat ze zullen verbranden wanneer ze aan lucht blootgesteld worden. Dus een vereiste is dat we — als we enige karakterisering willen doen na het maken van het materiaal of het in een reactor verplaatsen — een passivatie moeten doen, wat betekent dat we een gecontroleerde oxidatie met een lage zuurstofconcentratie uitvoeren. Dat vormt deze beschermende oxidelaag op het oppervlak van het materiaal.

En het probleem is, eenmaal je die beschermende oxidelaag vormt, is het materiaal nooit meer hetzelfde. De katalysator is voor altijd anders. Wanneer we proberen karakterisering of reactorstudies op dat gepassiveerde materiaal te doen, reflecteren de dingen die we meten niet de ware aard van dat materiaal. Om die uitdaging te verlichten, moesten we een nieuw protocol bedenken voor in-situ carburering, wat betekent dat we het materiaal in de reactor maakten waar we deze CO2 conversiestudies deden, en dan direct de reactie startten zonder enige blootstelling aan lucht.

Tech Briefs: Kun je in eenvoudige termen uitleggen wat temperatuur geprogrammeerde carburering is?

Porosoff: Temperatuur-geprogrammeerde carburering betekent dat we beginnen met een pre-katalysator, wolframoxide. Dan moeten we wolframoxide thermisch behandelen in de carbureringsgassen om wolframcarbide te maken. Het proces omvat het doorstomen van gasvormige koolstofprecursors, wat in dit geval methaan is, samen met waterstof onder een temperatuurramp. Dus de temperatuur stijgt en volgt een specifiek programma terwijl deze gassen stromen. Kortom, het betekent dat we methaan en waterstof doorlaten terwijl we de temperatuur wijzigen en verhogen om wolframoxide om te zetten in wolframcarbide.

Tech Briefs: Hoe kan wolframcarbide helpen met hydrocracken? En kun je uitleggen wat hydrocracken is?

Porosoff: Hydrocracken is een serie reacties die waterstof gebruikt om koolstof-koolstof bindingen te breken. En de reden waarom dit belangrijk is, is omdat kunststoffen zoals polyolefine, polyethyleen, polypropyleen bestaan uit deze heel lange ketens van koolstof-koolstof bindingen. Dus als we deze grote kunststoffen — zoals waterflessen, afvalkunststof — willen nemen en dan hergebruiken of recyclen, moeten we in staat zijn om die bindingen efficiënt te breken. En om die bindingen te breken, heb je twee functies nodig. Je hebt een zuurfunctie nodig, en je hebt een metalen functie nodig.

Het wolframcarbide deel heeft die metalen functionaliteit. En dan zijn er ook deze oxidegroepen aanwezig op het oppervlak — wolframoxiden — die zuurfunctionaliteit kunnen uitvoeren. Dus die twee functies zijn aanwezig binnen deze carbide katalysatoren.

Tech Briefs: Wat zijn jullie toekomstplannen?

Porosoff: We onderzoeken voortdurend het potentieel van carbide katalysatoren voor diverse reacties om de energie-efficiëntie te verhogen.