研究人员指出，现代社会从塑料到洗涤剂的大年夜量产品，都依附以铂金等贵金属为核心的催化剂来驱动关键反响，但铂金价格高、资本有限，开辟可持续替代品已成为催化范畴的重要偏向。 作为地壳丰度高、成本低的材料，碳化钨经久用于工业机械和切削对象，如今被从新核阅为一种有潜力的“类贵金属”催化材料。
然而，碳化钨在化工催化中的应用一向受制于其复杂的晶相和外面构造，这些特点导致其在以往反响体系中表示不稳定。 罗切斯特大年夜学化学与可持续工程系副传授马可·波罗索夫（Marc Porosoff）引导的团队，针对这一难题展开体系研究，经由过程在实际反响前提下精准调控材料构造，明显晋升了碳化钨的催化表示。 他的博士生佩雷拉（Sinhara Perera）解释说，碳化钨的原子分列可以形成多种相，每一种相的外面构造与活性都不合，但以前因为难以在高温、高压反响情况中直接测量催化剂外面，人们一向缺乏清楚熟悉。
在揭橥于《ACS Catalysis》的研究中，团队采取“法度榜样升温渗碳”办法，在反响器内部、高达摄氏700度以上的前提下原位合成并调控碳化钨纳米颗粒的相构造。 研究人员体系比较了不合晶相在二氧化碳加氢等反响中的表示，发明一种特定相——β-W2C半碳化钨在将二氧化碳转化为燃料和高附加值化学品的过程中展示出非分特别优良的活性和选择性。 波罗索夫指出，一些热力学上更稳定的晶相并不必定最“好用”，反而是相对不那么稳定的相在催化上表示更佳，这意味着经由过程精准相控制，有望获得足以与铂金媲美的低成本催化材料。
除了温室气体转化，研究团队还把眼光投向全球性难题——塑料放弃物。 在由北德克萨斯大年夜学陈林潇（Linxiao Chen）牵头、并由波罗索夫和罗切斯特大年夜学助理传授西达尔塔·德什潘德（Siddharth Deshpande）介入的合作研究中，科研人员验证了碳化钨在塑料“进级再生”（upcycling）中的潜力。 相干成果揭橥在《Journal of the American Chemical Society》上。 团队重点研究了碳化钨在加氢裂化（hydrocracking）过程中的表示，这一过程可将大年夜分子裂解为可再应用的小分子单体或燃料分子。
借助这项光学测温技巧，团队体系研究了串联催化体系：让一个反响释放的热量精准驱动另一个须要吸热的反响，从而削减外部能量输入，进步整体能效。 研究者认为，这种办法不仅有助于设计更节能的工业催化流程，也可能重塑全部催化研究范畴的实验范式，使温度测量加倍靠得住，数据更具可比性和可反复性。
实验对象是广泛用于包装和日用品的聚丙烯，这类一次性塑料具有长而稳定的高分子链，传统催化剂难以有效“咬断”这些碳链。 此外，真实垃圾流中的杂质会敏捷毒化惯例催化剂，而很多铂基催化体系依附微孔载体，孔径过小，晦气于体积宏大年夜的聚合物链进入反响位点。 波罗索夫表示，处于合适晶相的碳化钨同时具备金属性和酸性，既能活化和断裂聚合物中的碳–碳键，又避免了微孔构造带来的扩散限制，使“大年夜块头”的塑料链更轻易与催化外面接触。
成果显示，在聚烯烃塑料加氢裂化中，碳化钨催化剂不仅成本远低于以铂金为核心的传统体系，其效力更是后者的十倍以上。 研究人员认为，这一发明有望推动新一代塑料收受接收催化剂的设计，使塑料放弃物转化为高价值燃料和化学品成为实际，从而为轮回经济供给重要技巧支撑。
为此，研究团队采取了来访学者安德烈亚·皮克尔（Andrea Pickel）课题组开辟的光学测温技巧，并在揭橥于《EES Catalysis》的研究中具体描述了这一办法。 在示意实验中，一个产生放热反响的颗粒会把热量传递给旁边正在进行吸热反响的颗粒，研究人员经由过程红外光激发颗粒并监测其发出的绿光，实现对催化剂外面的高精度温度测量。 波罗索夫指出，依化学体系不合，传统体温测量与实际外面温度之间可能相差10至100摄氏度，这对于寻求高可反复性和反响耦合的催化研究而言，是一个“异常大年夜的误差”。
为了进一步懂得和优化催化过程，团队还从温度测量这一基本问题入手，开辟更精确的外面温度监测办法。 在催化反响中，有的过程吸热、有的放热，只有精确控制催化剂外面的真实温度，才能合理耦合多步反响、避免能量浪费。 传统办法多依附对全部反响器的“体温”读数，难以真实反应纳米级催化颗粒外面的温度梯度和局部热点。
多篇相干工作获得美国斯隆基金会、能源部、国度科学基金会以及纽约州能源研究与成长治理局等机构赞助。 跟着对碳化钨晶相调控、塑料进级再生和高精度温度测量等偏向研究的推动，科研界正慢慢接近一个目标：用地球丰富、价格低廉的工业金属，去完成以前只能依附铂金等贵金属才能做到的干净化工义务。
编译自/ScitechDaily
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