Дешевий і поширений промисловий матеріал несподівано виявився здатним перевершити платину — один із найдорожчих і найдефіцитніших металів сучасної хімії. Нові наукові дослідження показали, що карбід вольфраму може не лише ефективно замінити платину в каталізі, а й відкрити шлях до екологічнішої хімічної промисловості та переробки пластикових відходів.
Чому платина більше не є безальтернативною
Каталізатори — це «двигуни» хімічних реакцій. Саме завдяки їм виробляють пластмаси, мийні засоби, паливо, фармацевтичні препарати та сотні інших продуктів повсякденного вжитку. Проблема в тому, що більшість таких каталізаторів базуються на дорогоцінних металах — насамперед платині. Вона ефективна, але має три серйозні недоліки:
- дуже високу ціну;
- обмежені природні запаси;
- залежність від складних і нестабільних ланцюгів постачання.
Саме тому вчені вже багато років шукають доступну й стабільну альтернативу. Одним із найперспективніших кандидатів став карбід вольфраму — матеріал, який давно використовують у промисловості для виготовлення ріжучих інструментів, бурів і надміцних деталей.
Секрет — у розташуванні атомів
Дослідження, проведене під керівництвом професора Марка Порософфа з Університету Рочестера, показало: головна проблема карбіду вольфраму полягала не в самому матеріалі, а в його атомній структурі.
Атоми карбіду вольфраму можуть вибудовуватися в різні конфігурації — так звані фази. Одні з них стабільні, але малоефективні як каталізатори, інші — менш стабільні, зате значно активніші в хімічних реакціях.
Раніше вчені просто не могли точно контролювати ці фази під час реальних реакцій — умови в реакторах надто складні для вимірювань. Проте новий підхід дозволив створювати потрібну структуру безпосередньо в робочому реакторі, за температур понад 700 °C.
У результаті дослідники виявили фазу β-W₂C, яка особливо добре працює в реакціях перетворення вуглекислого газу на корисні хімічні сполуки — ключовий напрямок «зеленої» хімії та майбутнього синтетичного палива.
Друге життя для пластикових відходів
Ще більш вражаючі результати карбід вольфраму показав у боротьбі з пластиковим сміттям. Команда вчених дослідила його застосування в процесі апсайклінгу пластику — тобто перетворення відходів на матеріали з вищою цінністю.
Йдеться про хімічний процес гідрокрекінгу, який давно використовують у нафтопереробці, але майже не застосовували для пластику. Причина проста: полімерні ланцюги надто довгі та стабільні, а платинові каталізатори швидко «отруюються» домішками з відходів.
Карбід вольфраму виявився значно стійкішим і зручнішим для таких реакцій, оскільки:
- не має мікропор, які заважають великим полімерним молекулам;
- поєднує металеві та кислотні властивості;
- краще взаємодіє з довгими вуглецевими ланцюгами.
У підсумку новий каталізатор виявився більш ніж у 10 разів ефективнішим за платину, при цьому коштує значно дешевше.
Точна температура — ключ до успіху
Окремий прорив команда зробила у вимірюванні температури каталізатора. З’ясувалося, що традиційні методи можуть помилятися на 10–100 градусів, що критично для хімічних досліджень.
Завдяки оптичним методам вимірювання вчені змогли точно контролювати теплообмін і поєднувати реакції, де одна виділяє тепло, а інша його потребує. Це дозволяє зменшити втрати енергії та зробити промислові процеси значно ефективнішими.
Що це означає для майбутнього
Нові результати дають підстави говорити про реальну зміну правил гри в хімічній промисловості. Карбід вольфраму може:
- зменшити залежність від платини;
- здешевити виробництво хімічної продукції;
- прискорити розвиток циркулярної економіки;
- зробити переробку пластику економічно вигідною.
Попереду ще етап промислової оптимізації, але вчені впевнені: матеріал, який десятиліттями використовували лише як інструмент, може стати ключем до чистішої, дешевшої та сталкішої хімії майбутнього.