Verbesserung von Wolframcarbid:Eine vielversprechende Alternative für moderne Anwendungen

Andrew Corselli

Gleiten des Wolframs:Die Entwicklung der Aufkohlung (dargestellt durch die Kugeln) unter kinetischer Kontrolle (dargestellt durch die Oberflächenkonturen). Die Molekularstrahlen stellen die Gasentwicklung unter Synthesebedingungen dar, während die feurige Kugel die Bildung der reinen Wolfram-Halbkarbidphase mit zusätzlichen Molekularstrahlen an der Spitze hervorhebt, um deren katalytische Leistung zu veranschaulichen. (Bild:Illustration von Sinhara M. H. D. Perera)

Wichtige Alltagsprodukte – von Kunststoffen bis hin zu Waschmitteln – werden durch chemische Reaktionen hergestellt, bei denen meist Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren zum Einsatz kommen. Wissenschaftler suchen seit Jahren nach nachhaltigeren, kostengünstigeren Ersatzstoffen, und Wolframkarbid – ein auf der Erde häufig vorkommendes Metall, das häufig für Industriemaschinen, Schneidwerkzeuge und Meißel verwendet wird – ist ein vielversprechender Kandidat.

Allerdings weist Wolframcarbid Eigenschaften auf, die seine Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt haben. Marc Porosoff, außerordentlicher Professor, University of Rochester, Department of Chemical and Sustainability Engineering, und seine Mitarbeiter haben kürzlich mehrere wichtige Fortschritte erzielt, um Wolframcarbid zu einer praktikableren Alternative zu Platin in chemischen Reaktionen zu machen.

Sinhara Perera, promovierte Chemieingenieurin. Ein Student in Porosoffs Labor sagte, dass Wolframcarbid unter anderem deshalb ein schwieriger Katalysator für die Herstellung wertvoller Produkte ist, weil seine Atome in vielen verschiedenen Konfigurationen – sogenannten Phasen – angeordnet sein können.

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

In einer in ACS Catalysis veröffentlichten Studie , Porosoff, Perera und die Chemieingenieurstudentin Eva Ciuffetelli '27 überwanden dieses Problem, indem sie Wolframcarbidpartikel auf nanoskaliger Ebene im chemischen Reaktor – einem Gefäß, in dem Temperaturen über 700 °C erreichen können – sehr sorgfältig manipulierten. Mithilfe eines Prozesses namens temperaturprogrammierte Aufkohlung erzeugten sie Wolframcarbid-Katalysatoren in ihrer gewünschten Phase im Reaktor, führten die Reaktion durch und untersuchten dann, welche Versionen die beste Leistung erbrachten.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Porosoff.

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

Technische Kurzinformationen :Was war für Sie die größte technische Herausforderung bei der Durchführung der temperaturprogrammierten Aufkohlung?

Porosoff :Es gab ein paar Probleme; sie beziehen sich auf ein paar verschiedene Dinge. Erstens handelt es sich bei der Wolframkarbidphase, auf die wir abzielten, um eine metastabile Phase. Sie ist thermodynamisch weniger stabil als diese hexagonale Phase. Wir wollten also auf orthorhombisches Beta-W2C abzielen, aber die Thermodynamik begünstigt Delta-WC. Das ist eine Herausforderung.

Die nächste Herausforderung bestand darin, dass diese Materialien sehr pyrophor sind, was bedeutet, dass sie verbrennen, wenn sie der Luft ausgesetzt werden. Eine Voraussetzung ist also, dass wir – wenn wir irgendeine Art von Charakterisierung durchführen wollen, nachdem wir das Material hergestellt oder in einen Reaktor gebracht haben – eine Passivierung durchführen müssen, was bedeutet, dass wir eine kontrollierte Oxidation mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration durchführen. Dadurch bildet sich diese schützende Oxidschicht auf der Oberfläche des Materials.

Und das Problem ist, dass das Material nach der Bildung dieser schützenden Oxidschicht nie wieder dasselbe ist. Der Katalysator ist für immer anders. Wenn wir versuchen, dieses passivierte Material zu charakterisieren oder Reaktorstudien durchzuführen, spiegeln die Dinge, die wir messen, nicht die wahre Natur dieses Materials wider. Um diese Herausforderung zu lindern, mussten wir ein neues Protokoll für die In-situ-Maßnahme entwickeln Karbonisierung, was bedeutet, dass wir das Material in dem Reaktor hergestellt haben, in dem wir diese CO2-Umwandlungsstudien durchgeführt haben, und dann sofort die Reaktion gestartet haben, ohne Luft ausgesetzt zu werden.

Technische Kurzinformationen :Können Sie in einfachen Worten erklären, was die Temperaturprogramm-Aufkohlung ist?

Porosoff :Bei der temperaturprogrammierten Aufkohlung beginnen wir mit einem Vorkatalysator, Wolframoxid. Dann müssen wir Wolframoxid in den Aufkohlungsgasen thermisch behandeln, um Wolframkarbid herzustellen. Bei dem Prozess werden gasförmige Kohlenstoffvorläufer, in diesem Fall Methan, zusammen mit Wasserstoff unter einem Temperaturanstieg strömen gelassen. Die Temperatur steigt also an und folgt einem bestimmten Programm, während diese Gase strömen. Kurz gesagt bedeutet dies, dass wir Methan und Wasserstoff strömen lassen, während wir die Temperatur ändern und erhöhen, um Wolframoxid in Wolframcarbid umzuwandeln.

Technische Kurzinformationen :Wie kann Wolframkarbid beim Hydrocracken helfen? Und können Sie erklären, was Hydrocracken ist?

Porosoff :Hydrocracken ist eine Reihe von Reaktionen, bei denen Wasserstoff zum Aufbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen verwendet wird. Und das ist deshalb wichtig, weil Kunststoffe wie Polyolefine, Polyethylen und Polypropylen aus diesen sehr langen Ketten von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bestehen. Wenn wir also diese großen Kunststoffe – wie Wasserflaschen, Plastikabfälle – nehmen und sie dann wiederverwenden oder recyceln wollen, müssen wir in der Lage sein, diese Bindungen effizient zu lösen. Und um diese Bindungen zu lösen, braucht man zwei Funktionen. Sie brauchen eine Säurefunktion und Sie brauchen eine Metallfunktion.

Der Wolframcarbid-Teil hat diese metallische Funktionalität. Und dann sind da noch diese Oxidgruppen auf der Oberfläche – Wolframoxide – die eine Säurefunktion ausüben können. Diese beiden Funktionen sind also in diesen Karbidkatalysatoren vorhanden.

Technische Kurzinformationen :Was sind deine Zukunftspläne?

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