Wolframcarbid verbessern: Ein vielversprechender Ersatz für moderne Anwendungen

Andrew Corselli

Ausgleiten des Wolframcarbid: Die Entwicklung der Karburisierung (dargestellt durch die Kugeln) unter kinetischer Kontrolle (illustriert durch die Oberflächenkonturen). Die molekularen Strahlen stellen Gasentwicklung unter Synthesebedingungen dar, während die feurige Kugel die Bildung der reinen Wolfram-Halbkarbid-Phase mit zusätzlichen molekularen Strahlen oben hervorhebt, um ihre katalytische Leistung zu illustrieren. (Bild: Illustration von Sinhara M. H. D. Perera)

Wichtige Alltagsprodukte – von Kunststoffen bis Waschmitteln – werden durch chemische Reaktionen hergestellt, die meist Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren nutzen. Wissenschaftler suchen seit Jahren nach nachhaltigeren, kostengünstigeren Alternativen, und Wolframcarbid – ein auf der Erde reichlich vorhandenes Metall, das häufig für Industriemaschinen, Schneidwerkzeuge und Meißel verwendet wird – ist ein vielversprechender Kandidat.

Aber Wolframcarbid hat Eigenschaften, die seine Anwendungen limitiert haben. Marc Porosoff, Associate Professor, University of Rochester, Department of Chemical and Sustainability Engineering, und seine Mitarbeiter erreichten kürzlich mehrere Schlüsselvorstöße, um Wolframcarbid zu einer lebensfähigeren Alternative zu Platin in chemischen Reaktionen zu machen.

Sinhara Perera, chemische Ingenieurwesen Ph.D.-Studentin in Porosoffs Labor, sagte, dass Teil dessen, was Wolframcarbid zu einem schwierigen Katalysator für die Herstellung wertvoller Produkte macht, darin besteht, dass seine Atome in vielen verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein können – bekannt als Phasen.

„Es gab kein klares Verständnis der Oberflächenstruktur von Wolframcarbid, weil es wirklich schwierig ist, die katalytische Oberfläche in den Kammern zu messen, wo diese chemischen Reaktionen stattfinden“, sagte Perera.

In einer in ACS Catalysis veröffentlichten Studie überwanden Porosoff, Perera und die chemische Ingenieurwesen-Studentin Eva Ciuffetelli '27 dieses Problem, indem sie Wolframcarbid-Partikel auf Nanoskala innerhalb des chemischen Reaktors – einem Gefäß, wo Temperaturen über 700 °C erreichen können – sehr sorgfältig manipulierten. Mit einem Prozess namens temperaturprogrammierte Karburisierung erstellten sie Wolframcarbid-Katalysatoren in ihrer gewünschten Phase im Reaktor, führten die Reaktion durch und untersuchten dann, welche Versionen am besten performten.

Hier ist ein exklusives Tech Briefs-Interview, redigiert für Länge und Klarheit, mit Porosoff.

Die Hitze ist an: Wärme wird von einem Teilchen, das eine exotherme Reaktion durchläuft (rot), zu einem Teilchen übertragen, das eine endotherme Reaktion durchläuft (blau). Eine thermische Sonde regt ein Teilchen mit Infrarotlicht an, und das Teilchen emittiert grünes Licht, was eine genauere Form der Temperaturmessung für Katalysatoroberflächen bietet, als Forscher zuvor erreichen konnten. (Bild: Illustration von Sinhara M. H. D. Perera)

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung bei der Durchführung der temperaturprogrammierten Karburisierung?

Porosoff: Es gab ein paar Probleme; sie beziehen sich auf verschiedene Dinge. Das erste ist, dass die Phase von Wolframcarbid, die wir anvisierten, eine metastabile Phase ist. Sie ist weniger thermodynamisch stabil als diese hexagonale Phase. Also wollten wir orthorhombisches Beta-W2C anvisieren, aber die Thermodynamik favorisiert Delta-WC. Das ist eine Herausforderung.

Die nächste Herausforderung war, dass diese Materialien sehr pyrophor sind, was bedeutet, dass sie bei Luftexposition verbrennen. Also ist eine Anforderung, dass wir – wenn wir irgendeine Art von Charakterisierung nach der Materialherstellung oder Bewegung in einen Reaktor durchführen wollen – eine Passivierung durchführen müssen, was bedeutet, wir machen eine kontrollierte Oxidation mit niedriger Sauerstoffkonzentration. Das bildet diese schützende Oxidschicht auf der Materialoberfläche.

Und das Problem ist: Sobald man diese schützende Oxidschicht bildet, ist das Material nie wieder dasselbe. Der Katalysator ist für immer anders. Wenn wir versuchen, Charakterisierung oder Reaktorstudien an diesem passivierten Material durchzuführen, spiegeln die Dinge, die wir messen, nicht die wahre Natur des Materials wider. Um diese Herausforderung zu lindern, mussten wir ein neues Protokoll für in-situ Karburisierung entwickeln, was bedeutet, wir stellten das Material im Reaktor her, wo wir diese CO2-Konversionsstudien durchführten, und starteten die Reaktion sofort ohne jegliche Luftexposition.

Tech Briefs: Können Sie in einfachen Begriffen erklären, was temperaturprogrammierte Karburisierung ist?

Porosoff: Temperaturprogrammierte Karburisierung bedeutet, wir starten mit einem Pre-Katalysator, Wolframoxid. Dann müssen wir Wolframoxid in den Karburisierungsgasen thermisch behandeln, um Wolframcarbid herzustellen. Der Prozess beinhaltet das Strömen gasförmiger Kohlenstoffvorläufer, in diesem Fall Methan, zusammen mit Wasserstoff unter einer Temperaturrampe. Also steigt die Temperatur und folgt einem spezifischen Programm, während diese Gase strömen. Kurz gesagt: Wir strömen Methan und Wasserstoff, während wir die Temperatur ändern und erhöhen, um Wolframoxid in Wolframcarbid umzuwandeln.

Tech Briefs: Wie kann Wolframcarbid beim Hydrocracking helfen? Und können Sie erklären, was Hydrocracking ist?

Porosoff: Hydrocracking ist eine Reihe von Reaktionen, die Wasserstoff nutzen, um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu brechen. Und der Grund, warum das wichtig ist, ist, weil Kunststoffe wie Polyolefine, Polyethylen, Polypropylen aus diesen sehr langen Ketten von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bestehen. Also, wenn wir diese großen Kunststoffe – wie Wasserflaschen, Kunststoffabfall – nehmen und sie wiederverwenden oder recyceln wollen, müssen wir in der Lage sein, diese Bindungen effizient zu brechen. Und um diese Bindungen zu brechen, braucht man zwei Funktionen. Man braucht eine Säurefunktion und eine metallische Funktion.

Der Wolframcarbid-Teil hat diese metallische Funktionalität. Und dann gibt es auch diese Oxidgruppen auf der Oberfläche – Wolframoxide –, die Säurefunktionalität ausüben können. Also sind diese beiden Funktionen in diesen Karbidkatalysatoren vorhanden.

Tech Briefs: Was sind Ihre zukünftigen Pläne?

Porosoff: Wir untersuchen weiterhin das Potenzial von Karbidkatalysatoren für verschiedene Reaktionen zur Steigerung der Energieeffizienz.