1769106056
2026-01-22 17:47:00
Недавно выявленные методы использования свойств карбида вольфрама могут привести к созданию жизнеспособных заменителей драгоценных металлов, таких как платина.
Важные повседневные продукты — от пластмасс до моющих средств — производятся посредством химических реакций, в которых в качестве катализаторов в основном используются драгоценные металлы, такие как платина. Ученые уже много лет ищут более экологичные и недорогие заменители, и карбид вольфрама — богатый на Земле металл, обычно используемый для промышленного оборудования, режущих инструментов и долот — является многообещающим кандидатом.
Однако карбид вольфрама обладает свойствами, которые ограничивают его применение. Марк Порософфдоцент Рочестерского университета Департамент химической инженерии и устойчивого развитияи его коллеги недавно добились нескольких ключевых достижений, сделав карбид вольфрама более жизнеспособной альтернативой платине в химических реакциях.
Лучший поворот фазы
Синхара Перера, аспирант химического машиностроения из лаборатории Поросова, говорит, что карбид вольфрама является трудным катализатором для производства ценных продуктов отчасти потому, что его атомы могут располагаться во многих различных конфигурациях, известных как фазы.
«Не было четкого понимания структуры поверхности карбида вольфрама, потому что очень сложно измерить каталитическую поверхность внутри камер, где происходят эти химические реакции», — говорит Перера.
«Некоторые фазы более термодинамически стабильны, поэтому катализатор по своей сути хочет оказаться именно там», — говорит Поросов. «Но другие фазы, которые менее термодинамически стабильны, более эффективны в качестве катализаторов».
Исследователи определили одну конкретную фазу — β-W₂C — которая особенно хорошо работает в реакции, превращающей углекислый газ в важные прекурсоры для производства полезных химикатов и топлива. Порософф и его команда считают, что при дальнейшей доработке со стороны промышленности эта фаза карбида вольфрама может быть такой же эффективной, как платина, но без таких недостатков, как высокая стоимость и ограниченное предложение.
Переработка пластика
Порософф и его коллеги также исследовали карбид вольфрама в качестве катализатора переработки пластиковых отходов и преобразования старых пластиков в новые высококачественные продукты. А учиться в Журнал Американского химического обществапод руководством Линхао Чена из Университета Северного Техаса при поддержке Поросова и доцента Урочестерского университета. Сиддхартх Дешпандепоказал, как карбид вольфрама можно использовать для процесса, называемого гидрокрекингом.
Карбид вольфрама не только был дешевле платиновых катализаторов гидрокрекинга, но и был более чем в 10 раз эффективнее.
Гидрокрекинг предполагает взятие больших молекул, таких как полипропилен (основа бутылок для воды и многих других видов пластика), и химическое расщепление их на более мелкие молекулы, которые можно использовать для производства новых продуктов. Хотя гидрокрекинг использовался при переработке нефти и газа, его применение для переработки пластиковых отходов было проблемой из-за высокой стабильности полимерных цепей, из которых состоит большинство одноразовых пластиков, и присутствия примесей, которые дезактивируют катализаторы. Драгоценные металлы, такие как платина, которые в настоящее время используются в качестве катализаторов, быстро деактивируются и удерживаются на микропористых поверхностях, на которых нет места для длинных полимерных цепей в одноразовых пластиках.
«Карбид вольфрама, если он изготовлен из правильной фазы, обладает металлическими и кислотными свойствами, которые хороши для разрушения углеродных цепей в этих полимерах», — говорит Поросов. «Эти большие, объемные полимерные цепи могут гораздо легче взаимодействовать с карбидом вольфрама, поскольку у них нет микропор, которые вызывают ограничения при использовании типичных катализаторов на основе платины».
Исследование показало, что карбид вольфрама не только дешевле платиновых катализаторов гидрокрекинга, но и более чем в 10 раз эффективнее. Исследователи говорят, что это открывает новые захватывающие возможности для улучшения катализаторов и превращения пластиковых отходов в новые материалы, поддерживая экономику замкнутого цикла.
Измерение температуры
В основе этих достижений в создании более эффективных катализаторов лежит возможность точного измерения температуры на поверхности катализатора. Химические реакции могут либо поглощать тепло (эндотермические), либо выделять тепло (экзотермические), а контроль температуры поверхности катализатора позволяет ученым эффективно координировать несколько реакций. Но измерения, используемые в настоящее время для измерения температуры катализаторов, дают грубые средние значения, которые не дают достаточно нюансов для точного измерения точных условий, необходимых для эффективного изучения химических реакций.
ТЕПЛО ВКЛЮЧЕНО: Тепло передается от частицы, подвергающейся экзотермической реакции (красный цвет), к частице, подвергающейся эндотермической реакции (синий). Термический зонд возбуждает частицу инфракрасным светом, и частица излучает зеленый свет, обеспечивая более точное измерение температуры поверхностей катализаторов, чем исследователи могли достичь ранее. (Иллюстрация Синхары М.Д. Переры)
Используя методы оптических измерений, разработанные в лаборатории Андреа Пикельприглашенный профессор в Кафедра машиностроенияИсследователи разработали новый способ измерения температуры в химических реакторах. Они описали новую технику в исследование, опубликованное в ЭЭС-катализ.
«Из этого исследования мы узнали, что в зависимости от типа химического состава температура, измеренная с помощью этих объемных показаний, может отличаться от 10 до 100 градусов Цельсия», — говорит Поросов. «Это действительно существенная разница в каталитических исследованиях, где вы пытаетесь гарантировать воспроизводимость измерений и возможность объединения нескольких реакций».
Команда применила свою новую технику для изучения тандемных катализаторов, где экзотермическая реакция обеспечивает достаточно тепла, чтобы вызвать эндотермическую. Эффективное сочетание этих реакций может свести к минимуму потери тепла и привести к более эффективным процессам химического машиностроения.
Порософф говорит, что этот метод также может помочь изменить способ, которым исследователи проводят исследования катализа, что приведет к более тщательным измерениям, воспроизводимости работы и более надежным результатам во всей области.
#Разработка #недорогого #альтернативного #катализатора #для #производства #устойчивых #нефтехимических #продуктов
Читайте также
