Карбид вольфрама: дешевая замена платине в переработке пластика и CO2

Многие товары повседневного спроса, от пластика до моющих средств, производятся с использованием дорогостоящих и редких драгоценных металлов, таких как платина, в качестве катализаторов. Ученые годами искали более экологичные и дешевые альтернативы, и теперь перспективным кандидатом стал карбид вольфрама – широко распространенный и доступный материал, известный в основном по промышленному оборудованию и режущим инструментам.

Исследователи из Рочестерского университета под руководством доцента Марка Порософфа добились нескольких ключевых прорывов, которые делают карбид вольфрама реальной альтернативой платине. Основная сложность заключалась в том, что атомы этого материала могут образовывать множество различных структурных конфигураций, известных как фазы. Определить, какая из них наиболее эффективна, было практически невозможно из-за сложности измерений внутри реакторов, где температура может превышать 700 градусов Цельсия.

Команде удалось решить эту проблему, научившись управлять структурой карбида вольфрама на наноуровне прямо внутри химического реактора. «Некоторые фазы более термодинамически стабильны, и именно к ним стремится катализатор, – объясняет Порософф. – Но другие, менее стабильные фазы, более эффективны в качестве катализаторов». В результате экспериментов была выявлена особая фаза – β-W₂C, которая показала исключительную эффективность в реакции превращения углекислого газа в ценные химические соединения, служащие сырьем для производства топлива и полезных веществ. По мнению ученых, после промышленной доработки этот материал сможет сравниться по эффективности с платиной, но без ее высокой стоимости и ограниченных запасов.

Другим важным направлением стало применение карбида вольфрама для переработки пластиковых отходов. В процессе, называемом гидрокрекингом, крупные молекулы полипропилена – основы пластиковых бутылок и другой упаковки – химически расщепляются на более мелкие, которые можно использовать для создания новых продуктов. Ранее для этого применялись платиновые катализаторы, но они быстро выходили из строя и были неэффективны из-за своей микропористой структуры, неспособной пропускать длинные полимерные цепи.

Карбид вольфрама не только оказался дешевле, но и более чем в 10 раз эффективнее платины. «Карбид вольфрама, созданный в правильной фазе, обладает металлическими и кислотными свойствами, которые хорошо подходят для разрушения углеродных цепей в этих полимерах», – отмечает Порософф. В отличие от платиновых аналогов, его поверхность не имеет микропор, что позволяет крупным молекулам пластика легко взаимодействовать с катализатором. Это открытие открывает новые пути для создания замкнутого цикла производства и превращения пластиковых отходов в ценное сырье.

В основе этих достижений лежит еще одна инновация – новый метод точного измерения температуры на поверхности катализатора. Стандартные методы дают лишь усредненные значения, погрешность которых может достигать от 10 до 100 градусов Цельсия. Команда разработала оптическую технику, позволяющую получать точные данные в реальном времени. Это критически важно для управления химическими процессами, особенно тандемными реакциями, где тепло от одной реакции используется для запуска другой. Такой подход минимизирует потери энергии и ведет к созданию более эффективных и безотходных технологий, способных изменить стандарты во всей области каталитических исследований.