Wolframkarbid übertrifft Platin als Katalysator um das Zehnfache
Kostengünstige Alternative für Petrochemie und Kunststoff-Recycling
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Wichtige Alltagsprodukte - von Kunststoffen bis zu Waschmitteln - werden durch chemische Reaktionen hergestellt, bei denen meist Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren verwendet werden. Wissenschaftler sind seit Jahren auf der Suche nach nachhaltigeren, kostengünstigeren Ersatzstoffen, und Wolframcarbid - ein auf der Erde reichlich vorhandenes Metall, das häufig für Industriemaschinen, Schneidwerkzeuge und Meißel verwendet wird - ist ein vielversprechender Kandidat.
Die Entwicklung der Aufkohlung (dargestellt durch die Kugeln) unter kinetischer Kontrolle (dargestellt durch die Oberflächenkonturen). Die molekularen Strahlen stellen die Gasentwicklung unter Synthesebedingungen dar, während die feurige Kugel die Bildung der reinen Wolfram-Halbkarbidphase mit zusätzlichen molekularen Strahlen an der Spitze zur Veranschaulichung ihrer katalytischen Leistung hervorhebt.
Illustration by Sinhara M. H. D. Perera
Wolframkarbid hat jedoch Eigenschaften, die seine Einsatzmöglichkeiten einschränken. Marc Porosoff, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie- und Nachhaltigkeitsingenieurwesen der Universität Rochester, und seine Mitarbeiter haben vor kurzem mehrere wichtige Fortschritte erzielt, die Wolframcarbid zu einer brauchbareren Alternative zu Platin in chemischen Reaktionen machen.
Die beste Drehung der Phase
Sinhara Perera, Doktorandin in Chemieingenieurwesen in Porosoffs Labor, erklärt, dass Wolframkarbid unter anderem deshalb ein schwieriger Katalysator für die Herstellung wertvoller Produkte ist, weil seine Atome in vielen verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden können, die als Phasen bezeichnet werden.
"Die Oberflächenstruktur von Wolframcarbid war bisher nicht eindeutig geklärt, weil es wirklich schwierig ist, die katalytische Oberfläche in den Kammern zu messen, in denen diese chemischen Reaktionen stattfinden", sagt Perera.
In einer in ACS Catalysis veröffentlichten Studie überwanden Porosoff, Perera und die Chemieingenieurstudentin Eva Ciuffetelli (27) dieses Problem, indem sie Wolframkarbidpartikel im Nanobereich des chemischen Reaktors - einem Behälter, in dem Temperaturen von über 700 Grad Celsius herrschen können - sehr sorgfältig manipulierten. Mit einem Verfahren, das als temperaturprogrammierte Aufkohlung bezeichnet wird, erzeugten sie Wolframkarbidkatalysatoren in der gewünschten Phase im Reaktor, führten die Reaktion durch und untersuchten dann, welche Versionen am besten funktionierten.
"Einige der Phasen sind thermodynamisch stabiler, so dass der Katalysator von Natur aus in dieser Phase enden möchte", sagt Porosoff. "Aber andere Phasen, die thermodynamisch weniger stabil sind, sind als Katalysatoren effektiver."
Die Forscher haben eine bestimmte Phase identifiziert -β-W₂C -, die sich besonders gut für eine Reaktion eignet, bei der Kohlendioxid in wichtige Grundstoffe für die Herstellung nützlicher Chemikalien und Kraftstoffe umgewandelt wird. Porosoff und sein Team sind der Meinung, dass diese Phase des Wolframkarbids bei weiterer Feinabstimmung durch die Industrie genauso effektiv sein könnte wie Platin, ohne die Nachteile der hohen Kosten und des begrenzten Angebots.
Upcycling von Kunststoffen
Porosoff und seine Kollegen haben auch Wolframkarbid als Katalysator für das Upcycling von Kunststoffabfällen und die Umwandlung von Altkunststoffen in hochwertige neue Produkte untersucht. Eine im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie unter der Leitung von Linxao Chen von der University of North Texas, die von Porosoff und URochester-Assistenzprofessor Siddharth Deshpande unterstützt wurde, zeigte, wie Wolframkarbid für ein Verfahren namens Hydrocracking verwendet werden kann.
Wolframkarbid war nicht nur kostengünstiger als Platinkatalysatoren für das Hydrocracken, sondern auch mehr als zehnmal so effizient.
Beim Hydrocracken werden große Moleküle wie Polypropylen - die Grundlage von Wasserflaschen und vielen anderen Kunststoffen - chemisch in kleinere Moleküle zerlegt, die für neue Produkte verwendet werden können. Während das Hydrocracken bereits bei der Öl- und Gasraffination eingesetzt wird, war seine Anwendung bei der Verarbeitung von Kunststoffabfällen aufgrund der hohen Stabilität der Polymerketten, aus denen die meisten Einwegkunststoffe bestehen, und des Vorhandenseins von Verunreinigungen, die die Katalysatoren deaktivieren, ein Problem. Die derzeit als Katalysatoren verwendeten Edelmetalle, wie z. B. Platin, werden schnell deaktiviert und befinden sich auf mikroporösen Oberflächen, die keinen Platz für die langen Polymerketten in Einwegkunststoffen bieten.
"Wolframkarbid hat, wenn es in der richtigen Phase hergestellt wird, metallische und saure Eigenschaften, die sich gut eignen, um die Kohlenstoffketten in diesen Polymeren aufzubrechen", sagt Porosoff. "Diese großen, sperrigen Polymerketten können viel leichter mit dem Wolframkarbid interagieren, weil sie keine Mikroporen haben, die bei typischen Katalysatoren auf Platinbasis zu Einschränkungen führen."
Die Studie zeigte, dass Wolframcarbid nicht nur kostengünstiger ist als Platinkatalysatoren für das Hydrocracken, sondern auch mehr als zehnmal so effizient. Den Forschern zufolge eröffnet dies spannende neue Wege zur Verbesserung von Katalysatoren und zur Umwandlung von Kunststoffabfällen in neue Materialien, was eine Kreislaufwirtschaft unterstützt.
Die Temperatur messen
Die Grundlage für diese Fortschritte bei der Entwicklung effizienterer Katalysatoren ist die Fähigkeit, die Temperaturen an den Katalysatoroberflächen genau zu messen. Chemische Reaktionen können entweder Wärme aufnehmen (endotherm) oder freisetzen (exotherm), und die Kontrolle der Temperatur der Katalysatoroberfläche ermöglicht es den Wissenschaftlern, mehrere Reaktionen effizient zu koordinieren. Die derzeit zur Messung der Temperatur von Katalysatoren verwendeten Verfahren liefern jedoch nur grobe Durchschnittswerte, die nicht genügend Nuancen enthalten, um die genauen Bedingungen zu messen, die für eine effektive Untersuchung chemischer Reaktionen erforderlich sind.
Mit Hilfe optischer Messtechniken, die im Labor von Andrea Pickel, einer Gastprofessorin an der Fakultät für Maschinenbau, entwickelt wurden, haben die Forscher eine neue Methode zur Messung der Temperatur in chemischen Reaktoren entwickelt. Sie beschrieben die neue Technik in einer Studie, die in EES Catalysis veröffentlicht wurde.
"Aus dieser Studie haben wir gelernt, dass die Temperatur, die mit diesen Massenmessgeräten gemessen wird, je nach Art der Chemie um 10 bis 100 Grad Celsius abweichen kann", sagt Porosoff. "Das ist ein wirklich bedeutender Unterschied bei katalytischen Studien, bei denen man sicherstellen will, dass die Messungen reproduzierbar sind und dass mehrere Reaktionen gekoppelt werden können.
Das Team wandte seine neue Technik zur Untersuchung von Tandemkatalysatoren an, bei denen eine exotherme Reaktion genügend Wärme liefert, um eine endotherme Reaktion auszulösen. Die effektive Kopplung dieser Reaktionen kann die Abwärme minimieren und zu effizienteren chemisch-technischen Prozessen führen.
Laut Porosoff könnte die Technik auch dazu beitragen, die Art und Weise, wie Forscher Katalysestudien durchführen, zu verändern, was zu sorgfältigeren Messungen, reproduzierbaren Arbeiten und robusteren Ergebnissen auf dem gesamten Gebiet führen würde.
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