Многие привычные нам продукты – от пластика до моющих средств – создаются с помощью химических реакций, для которых необходимы катализаторы из драгоценных металлов, таких как платина. Эти металлы эффективны, но очень дороги и редки. Ученые много лет искали более дешевую и доступную альтернативу. Одним из самых перспективных кандидатов стал карбид вольфрама – распространенный материал, который уже используется для изготовления промышленного оборудования и режущих инструментов.
Несмотря на свой потенциал, карбид вольфрама долгое время не удавалось эффективно применять в качестве катализатора из–за его непредсказуемого химического поведения. Однако недавнее исследование группы ученых под руководством Марка Порософфа из Рочестерского университета приблизило тот день, когда этот материал сможет составить конкуренцию платине. Основная трудность, по словам исследователей, заключалась в том, что атомы карбида вольфрама могут образовывать множество различных конфигураций, или фаз, которые сильно влияют на его каталитические свойства. «До сих пор не было ясного понимания структуры поверхности карбида вольфрама, потому что измерить ее непосредственно внутри реактора, где протекают реакции, очень сложно», – объясняют ученые.
Команда разработала метод, позволяющий точно контролировать структуру карбида вольфрама прямо в процессе химической реакции. Внутри реакторов, работающих при температуре выше 700 градусов Цельсия, они создавали наночастицы катализатора в определенных фазах, а затем анализировали их эффективность. «Некоторые фазы более термодинамически стабильны, и катализатор стремится перейти именно в это состояние, – говорит Порософф. – Но другие, менее стабильные фазы, оказываются более эффективными». Исследователи выделили одну конкретную фазу, β-W2C, которая показала исключительную производительность в реакциях превращения углекислого газа в компоненты для топлива и полезных химических веществ.
Помимо переработки CO₂, команда изучила применение карбида вольфрама для вторичной переработки пластиковых отходов. Их работа сосредоточена на апсайклинге – процессе, который превращает выброшенный пластик в продукты более высокой ценности. Ученые применили карбид вольфрама для химического процесса гидрокрекинга, который расщепляет длинные молекулы полипропилена, используемого в бутылках для воды, на более мелкие. Оказалось, что карбид вольфрама не только дешевле, но и более чем в 10 раз эффективнее платиновых катализаторов в этом процессе. В отличие от платиновых аналогов, имеющих микропористую структуру, куда не могут проникнуть крупные молекулы пластика, карбид вольфрама позволяет им легко взаимодействовать со своей поверхностью.
Ключом к этим открытиям стала возможность точно измерять температуру непосредственно на поверхности катализатора. Существующие методы давали лишь усредненные значения, которые могли отличаться от реальных на 10–100 градусов Цельсия. Используя новую оптическую методику, команда научилась получать точные данные о температуре в реакторе. Это позволяет не только воспроизводить результаты, но и эффективно управлять сложными системами, где тепло, выделяемое одной реакцией, используется для запуска другой. По словам Порософфа, этот подход может изменить стандарты проведения исследований в области катализа, повысив их точность и надежность. В конечном счете, эти достижения открывают путь к созданию более дешевых и экологичных промышленных процессов и способствуют развитию экономики замкнутого цикла.
