Niedrogi metal potrafi być lepszy od szlachetnego
Węglik wolframu nie jest nowym odkryciem. Jego wyjątkowa twardość i odporność na ścieranie od dawna znajduje zastosowanie w przemyśle. Naukowcy zdawali sobie również sprawę z jego potencjału katalitycznego, główną przeszkodą była jednak kontrola nad jego wewnętrzną strukturą. Materiał ten może przybierać różne formy krystaliczne, tak zwane fazy, z których każda charakteryzuje się inną aktywnością. Przez długi czas brakowało wiedzy, która z nich będzie optymalna do konkretnych reakcji chemicznych.
Niektóre z faz są bardziej stabilne termodynamicznie, więc tam katalizator z natury chce się znaleźć. Ale inne fazy, które są mniej stabilne termodynamicznie, są bardziej skuteczne jako katalizatory – tłumaczy Marc Porosoff z University of Rochester
Zespół pod kierunkiem Porosoffa skupił się właśnie na rozwiązaniu tego problemu. Celem jego członków było nie tylko zidentyfikowanie najbardziej efektywnej fazy, lecz również opracowanie metody jej stabilnego i powtarzalnego wytwarzania w warunkach reakcji. Kluczowa okazała się technika nazywana nawęglaniem z programowaniem temperaturowym. W dużym uproszczeniu chodzi o precyzyjne sterowanie warunkami podczas syntezy cząstek węglika wolframu bezpośrednio w reaktorze, gdzie panują temperatury przekraczające 700°C. Dzięki temu naukowcy nauczyli się „piec” katalizator w konkretnej, pożądanej konfiguracji.
Czytaj też: Niezatapialne statki czekają tuż za rogiem. Inżynierowie stworzyli rury, jakich świat jeszcze nie widział
Przełomem było ustalenie, że faza oznaczona jako β-W2C wykazuje wyjątkowe właściwości w procesach takich jak przetwarzanie dwutlenku węgla na użyteczne chemikalia. Jednak samo wytworzenie odpowiedniej fazy to nie wszystko: równie ważny jest precyzyjny pomiar faktycznych warunków panujących na jej powierzchni. Współpracująca z innym zespołem pomogła wdrożyć techniki optyczne, które znacząco – bo nawet o 100 stopni – poprawiły dokładność pomiarów temperatury przy samym katalizatorze w stosunku do tradycyjnych metod uśredniających.
Dziesięciokrotny wzrost wydajności w recyklingu
Prawdziwym sprawdzianem dla nowego materiału był jego udział w recyklingu polipropylenu, powszechnego tworzywa stosowanego w opakowaniach. Proces hydrokrakingu, rozbijający długie łańcuchy polimerowe na krótsze i nadające się do ponownego użycia, idealnie nadawał się do testów. Wyniki były imponujące. Węglik wolframu w odpowiedniej fazie okazał się nie tylko wielokrotnie tańszy od katalizatorów platynowych, ale też przeszło dziesięciokrotnie od nich wydajniejszy. Sekret tej skuteczności leży w unikalnych właściwościach materiału, który łączy charakterystykę metaliczną z kwasową, co sprawdza się przy rozrywaniu węglowych łańcuchów polimerów.
Czytaj też: Jeden związek chemiczny zamiast dwóch materiałów. Nowy pomysł na tańsze organiczne panele słoneczne
Dodatkową, istotną przewagą jest brak mikroporów, typowych dla wielu konwencjonalnych katalizatorów. Dzięki temu nawet duże cząsteczki polimerów mają swobodny dostęp do aktywnych centrów reakcji, co likwiduje wąskie gardło procesu. Odkrycie badaczy z Rochester jest światełkiem w tunelu dla branży recyklingu. Pokazuje, że czasem postęp nie wymaga tworzenia zupełnie nowych materiałów, a jedynie głębszego zrozumienia i lepszego opanowania tych, które już znamy. Opracowana metoda precyzyjnej kontroli fazy katalizatora oraz dokładniejszego pomiaru temperatury może znaleźć zastosowanie w wielu innych dziedzinach chemii przemysłowej, optymalizując zużycie energii.