Foto: Sinhara M. H. D. Perera

Úvod do výzkumu

Vědci objevují nové způsoby, jak nahradit drahé a vzácné platinové katalyzátory něčím mnohem hojnějším: karbidem wolframu. Pečlivým řízením uspořádání atomů karbidu wolframu při extrémně vysokých teplotách objevili výzkumníci specifickou formu, která může konkurovat platině v klíčových chemických reakcích, včetně přeměny oxidu uhličitého na užitečná paliva a chemikálie. Ještě slibnější je, že stejný materiál se ukázal být dramaticky lepší při rozkladu plastového odpadu, překonávající platinu více než desetinásobně.

Autor původního článku: redakce

Význam atomové struktury

Podle Sinhary Perery, doktorandky chemického inženýrství v laboratoři Marca Porosoffa, je jednou z hlavních výzev to, jak se atomy karbidu wolframu uspořádají. Atomy karbidu wolframu mohou tvořit mnoho různých konfigurací, známých jako fáze, říká Perera. Tyto fáze mohou silně ovlivnit, jak dobře materiál funguje jako katalyzátor. „Neexistuje žádné jasné pochopení povrchové struktury karbidu wolframu, protože je opravdu obtížné měřit katalytický povrch uvnitř komor, kde tyto chemické reakce probíhají,“ říká.

Pokroky v použití karbidu wolframu

Aby tento problém vyřešil, navrhl výzkumný tým metodu pro přesné řízení struktury karbidu wolframu během aktivních reakcí. Ve studii publikované v ACS Catalysis manipulovali Porosoff, Perera a studentka chemického inženýrství Eva Ciuffetelli ’27 s částicemi karbidu wolframu na nanoskopické úrovni uvnitř chemických reaktorů, které pracují při teplotách nad 700 stupňů Celsia. Pomocí techniky zvané teplotně programovaná karburizace vytvořili výzkumníci katalyzátory z karbidu wolframu ve specifických fázích přímo uvnitř reaktoru. Poté spustili chemické reakce a analyzovali, které verze poskytly nejsilnější výkon.

Přeměna plastového odpadu na nové materiály

Kromě přeměny oxidu uhličitého Porosoff a jeho spolupracovníci také zkoumali karbid wolframu jako katalyzátor pro recyklaci plastového odpadu. Jejich práce se zaměřuje na upcyklaci, proces, který přeměňuje vyřazené plasty na produkty s vyšší hodnotou místo materiálů nižší kvality. Ve studii publikované v Journal of the American Chemical Society, vedené Linxaem Chenem z University of North Texas a podporované Porosoffem a asistentem profesora Siddharth Deshpande z University of Rochester, výzkumníci demonstrovali, jak karbid wolframu může řídit chemický proces známý jako hydrokrakování.

Měření tepla na povrchu katalyzátoru

Klíčovým faktorem těchto pokroků je schopnost přesně měřit teplotu na površích katalyzátorů. Chemické reakce buď absorbují teplo (endotermické), nebo uvolňují teplo (exotermické), a řízení teploty je kritické pro efektivitu. Mnoho průmyslových procesů se spoléhá na více reakcí probíhajících současně, což činí přesnou kontrolu teploty ještě důležitější.

Podpora a financování výzkumu

Studie publikovaná v ACS Catalysis byla podpořena Sloanovou nadací a Ministerstvem energetiky. Výzkum v Journal of the American Chemical Society získal financování od Národní vědecké nadace. Studie v EES Catalysis byla financována New York State Energy Research and Development Authority prostřednictvím Carbontech Development Initiative.