許多常見產品包括塑料和清潔劑，它依賴於化學反應，而化學反應依賴於由鉑等貴金屬製成的催化劑。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。一種有前途的替代品是碳化鎢。它是一種世界上儲量豐富的材料，廣泛應用於工業機械中。切割工具和鑿子
儘管有潛力，但碳化鎢並不容易用作催化劑。它的化學行為是不可預測的。這限制了更廣泛的採用。羅徹斯特大學化學工程與可持續發展系副教授馬克·波羅索夫（Marc Porosoff）領導的研究人員取得了重要進展，可能使碳化鎢在關鍵化學反應中與鉑競爭。
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的原子排列。
碳化鎢原子可以以多種不同的形式形成。佩雷拉說，這些被稱為階段。這些相可以極大地影響材料作為催化劑的性能。
“對於碳化鎢的表面結構仍然沒有明確的了解。這是因為很難測量發生化學反應的室內催化劑表面，”她說。
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 歲的化學工程本科生 Eva Ciuffetelli 在溫度高於 700 攝氏度的化學反應器內以納米級操控碳化鎢顆粒。
研究人員使用一種稱為程序升溫碳酸化的技術，直接在反應器內的特定步驟中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最有效。
“有些相在熱力學上更穩定。所以這就是催化劑的最終位置，”普羅索夫說。 “但其他熱力學穩定性較差的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有用燃料和化學品的基礎材料的反應中表現出出色的性能。隨著行業的進一步優化，研究人員認為，這種形式的碳化鎢可以與鉑的性能相匹配，而無需高昂的價格或供應限制。
將塑料廢物變成新材料。
除了轉化二氧化碳外，波羅索夫和他的合作者還在探索碳化鎢作為回收塑料廢物的催化劑。他們的工作重點是升級改造。這是一個將廢棄塑料變成更高價值產品而不是低等級材料的過程。
在發表於的一項研究中 美國化學會雜誌在北德克薩斯大學 Linxao Chen 的領導下，在 Porosoff 和羅徹斯特大學助理教授 Siddharth Deshpande 的支持下，研究人員證明碳化鎢可以驅動一種稱為光催化的化學過程。加氫裂化是如何進行的？
加氫裂化它將大分子分解成更小的分子，這些小分子可以重新用於製造新材料。在這種情況下，該團隊的目標是聚丙烯。它們用於水瓶和許多其他塑料製品。
儘管加氫裂化在石油和天然氣精煉中很常見，但將其應用於塑料廢物已被證明是困難的。一次性塑料中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太小的多孔結構，大塑料分子無法進入。這限制了效率
“當用正確的相製成時，碳化鎢具有金屬和酸性特性，這有利於分解這些聚合物中的碳鏈，”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。這是由於缺乏微孔，這對傳統的鉑基催化劑造成了限制。”
結果是驚人的。碳化鎢不僅比鉑催化劑便宜。但它在加氫裂化塑料方面的效率也高出 10 倍以上。研究人員表示，這種方法可以為塑料回收開闢新途徑。發展循環經濟，使各種材料不斷循環利用。
測量重要區域的熱量
這些進步背後的一個關鍵因素是能夠準確測量催化劑表面的溫度。化學反應吸收熱量。 （吸收熱量）或釋放熱量（放熱），溫度管理對於效率非常重要。許多工業過程依賴於反應的組合。這使得精確的溫度控制變得更加重要。
目前的溫度測量方法僅提供粗略平均值，這可能隱藏催化劑表面的重要變化。這種精度的缺乏使得很難完全理解和重建催化劑的行為。
為了解決這個問題，研究小組使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催化他們描述了一種直接測量化學反應器內部溫度的新方法。
“我們從這項研究中了解到，根據化學類型的不同，許多讀數中測得的溫度可能會低 10 到 100 攝氏度，”波羅索夫說。 “這是研究催化劑的一個非常重要的區別。你試圖確保測量是可重複的，並且可以將許多反應聯繫在一起。”
使用這種技術時，該團隊研究了一種雙催化劑系統，其中一個反應釋放的熱量會觸發另一個需要額外熱量的反應。這些反應更好的匹配可以減少能源浪費並提高整體效率。
波羅索夫表示，該方法可能對催化研究產生更廣泛的影響。這導致更準確的測量。可以更好地重複並在整個領域提供可靠的結果
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。 《美國化學會雜誌》的研究由美國國家科學基金會資助。 EES 催化研究由紐約州能源研究與發展局資助。通過碳技術發展計劃
