許多常見產品，包括塑料和清潔劑，都依賴於由貴金屬（例如鉑）製成的催化劑的化學反應。這些金屬雖然有效，但價格昂貴且供應有限。多年來，科學家們一直在尋找更便宜、更可持續的替代品。一個有前途的選擇是碳化鎢，這是一種地球儲量豐富的材料，已廣泛用於工業機械、切削工具和鑿子。
儘管碳化鎢具有潛力，但用作催化劑並不容易。它的化學行為是不可預測的，這限制了它的更廣泛的接受度。由羅切斯特大學化學與可持續工程系副教授 Marc Porosoff 領導的研究人員現已在關鍵化學反應方面取得了重大進展，使碳化鎢能夠與鉑競爭。
為什麼原子結構很重要
波羅索夫實驗室化學工程博士生 Sinhara Perera 表示，主要挑戰之一在於碳化鎢原子的排列方式。
佩雷拉說，碳化鎢原子可以形成各種構型，稱為相。這些相可以極大地影響材料作為催化劑的性能。
“對碳化鎢的表面結構還沒有清楚的了解，因為很難測量發生這些化學反應的室內催化表面，”他說。
為了解決這個問題，研究團隊設計了一種在活性反應過程中精確控制碳化鎢結構的方法。在發表於的一項研究中 ACS催化Porosoff、Perera 和 27 歲的化學工程學生 Eva Ciuffetelli 在溫度高於 700 攝氏度的化學反應器內操縱納米級碳化鎢顆粒。
研究人員使用一種稱為程序升溫滲碳的技術，直接在反應器內製造了碳化鎢催化劑。然後他們進行化學反應並分析哪個版本的性能最強。
“有些相在熱力學上更穩定，因此催化劑想要自行終止，”波羅索夫說。 “但熱力學不穩定的其他相作為催化劑更有效。”
該團隊特別確定了一種相，β-W2C，它在將二氧化碳轉化為燃料和關鍵有用化學品的反應中表現出優異的性能。通過進一步的行業優化，研究人員相信這種類型的碳化鎢可以與鉑的效率相匹配，而無需高昂的價格或供應限制。
將塑料廢物轉化為新材料
除了二氧化碳轉化之外，波羅索夫和他的合作者還探索了碳化鎢作為回收塑料廢物的催化劑。他們的工作基於升級回收，這一過程將廢棄塑料轉化為更高價值的產品，而不是低質量的材料。
在雜誌上發表的一項研究中 美國化學會雜誌在北德克薩斯大學的 Linxao Chen 的領導下，在 Porosoff 和羅徹斯特大學的助理教授 Siddharth Deshpande 的協助下，研究人員展示了碳化鎢如何驅動一種稱為加氫裂化的化學過程。
加氫裂化將大分子分解成較小的分子，可以重新用於製造新材料。在這種情況下，該團隊轉向使用聚丙烯，該材料用於水瓶和許多其他塑料產品。
儘管加氫裂化在石油和天然氣精煉中很常見，但其在塑料廢物上的應用一直很困難。一次性塑料的長聚合物鏈非常穩定，廢物流中的污染物會迅速使傳統催化劑失活。鉑基催化劑還依賴於微孔結構，這些結構太小，無法容納大的塑料分子，從而限制了其有效性。
“當用正確的相製成時，碳化鎢具有金屬和酸性特性，有利於破壞這些聚合物的碳鏈，”波羅索夫說。 “這些大的聚合物鏈可以更容易地與碳化鎢相互作用，因為它們沒有微孔，而微孔會導致典型的鉑基催化劑受到限制。”
結果是驚人的。碳化鎢不僅比鉑催化劑便宜得多，而且在加氫裂化廢塑料方面的效率高出 10 倍以上。研究人員表示，這種方法可以開闢回收塑料的新方法，並推動材料不斷重複利用的循環經濟。
測量重要的熱量
這些進步背後的一個關鍵因素是精確測量催化劑表面溫度的能力。化學反應要么吸收熱量（吸熱），要么釋放熱量（放熱），溫度管理對於效率至關重要。許多工業過程依賴於同時發生的多個反應，溫度控制更為重要。
目前的溫度測量方法僅提供近似平均值，這可能掩蓋催化劑表面的關鍵變化。這種精度的缺乏使得很難完全理解和重現催化行為。
為了解決這個問題，研究小組採用了機械工程系客座教授Andrea Pickel實驗室開發的光學測量技術。在發表於的一項研究中 EES催化描述了一種直接測量化學反應器內溫度的新方法。
“從這項研究中我們知道，根據化學類型的不同，高讀數測量到的溫度可能在 10 到 100 攝氏度之間，”波羅索夫說。 “這在催化研究中是一個非常顯著的差異，你要努力確保測量結果可重複並且可以組合多個反應。”
利用這項技術，研究小組研究了串聯催化劑系統，其中一個反應釋放的熱量觸發另一個需要熱量輸入的反應。這些反應更好的耦合可以減少能源浪費並提高整體效率。
波羅索夫表示，該方法可能會影響更廣泛的催化研究的進行方式，鼓勵在整個領域進行更精確的測量、更高的可重複性和更可靠的結果。
資金和支持
ACS 催化研究得到了斯隆基金會和能源部的支持。美國化學會研究期刊獲得了美國國家科學基金會的資助。 EES 催化研究由紐約州能源研究與發展局通過碳技術發展計劃資助。
