Améliorer le carbure de tungstène :une alternative prometteuse pour les applications modernes

Andrew Corselli Glissement du tungstène :L'évolution de la carburation (représentée par les sphères) sous contrôle cinétique (illustré par les contours de la surface). Les faisceaux moléculaires représentent l'évolution du gaz dans des conditions de synthèse tandis que la sphère de feu met en évidence la formation de la phase pure de semi-carbure de tungstène avec des faisceaux moléculaires supplémentaires au sommet pour illustrer ses performances catalytiques. (Image :Illustration de Sinhara MHD Perera)

Les produits quotidiens importants – des plastiques aux détergents – sont fabriqués par des réactions chimiques qui utilisent principalement des métaux précieux tels que le platine comme catalyseurs. Les scientifiques recherchent depuis des années des substituts plus durables et moins coûteux, et le carbure de tungstène, un métal abondant sur Terre et couramment utilisé pour les machines industrielles, les outils de coupe et les ciseaux, est un candidat prometteur.

Mais le carbure de tungstène possède des propriétés qui ont limité ses applications. Marc Porosoff, professeur agrégé au Département d'ingénierie chimique et durable de l'Université de Rochester, et ses collaborateurs ont récemment réalisé plusieurs avancées clés pour faire du carbure de tungstène une alternative plus viable au platine dans les réactions chimiques.

Sinhara Perera, titulaire d'un doctorat en génie chimique. étudiant dans le laboratoire de Porosoff, a déclaré qu'une partie de ce qui fait du carbure de tungstène un catalyseur difficile pour produire des produits de valeur est que ses atomes peuvent être disposés dans de nombreuses configurations différentes, appelées phases.

"Il n'y a pas de compréhension claire de la structure de surface du carbure de tungstène car il est très difficile de mesurer la surface catalytique à l'intérieur des chambres où ces réactions chimiques ont lieu", a déclaré Perera.

Dans une étude publiée dans ACS Catalysis , Porosoff, Perera et Eva Ciuffetelli, étudiante en génie chimique en 2027, ont surmonté ce problème en manipulant très soigneusement des particules de carbure de tungstène à l'échelle nanométrique dans le réacteur chimique – une cuve où les températures peuvent dépasser 700 °C. À l'aide d'un processus appelé carburation programmée en température, ils ont créé des catalyseurs en carbure de tungstène dans la phase souhaitée à l'intérieur du réacteur, ont exécuté la réaction, puis ont étudié quelles versions étaient les plus performantes.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Porosoff.

La chaleur est allumée :la chaleur est transférée d’une particule subissant une réaction exothermique (rouge) à une particule subissant une réaction endothermique (bleu). Une sonde thermique excite une particule avec une lumière infrarouge, et la particule émet une lumière verte, fournissant une forme de mesure de température plus précise pour les surfaces des catalyseurs que ce que les chercheurs étaient en mesure de réaliser auparavant. (Image :Illustration de Sinhara MHD Perera)

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors de la réalisation de la carburation programmée en température ?

Porosoff :Il y a eu quelques problèmes ; ils se rapportent à plusieurs choses différentes. La première est que la phase du carbure de tungstène que nous visions est une phase métastable. Elle est moins stable thermodynamiquement que cette phase hexagonale. Nous voulions donc cibler le bêta orthorhombique W2C, mais la thermodynamique favorise le delta WC. C'est un défi.

Le défi suivant était que ces matériaux sont très pyrophoriques, ce qui signifie qu'ils s'enflammeront lorsqu'ils seront exposés à l'air. Donc, si nous voulons effectuer un quelconque type de caractérisation après avoir fabriqué le matériau ou l'avoir déplacé dans un réacteur, nous devons procéder à une passivation, ce qui signifie que nous effectuons une oxydation contrôlée avec une faible concentration d'oxygène. Cela forme cette couche d'oxyde protectrice à la surface du matériau.

Et le problème est qu’une fois que vous avez formé cette couche d’oxyde protectrice, le matériau n’est plus jamais le même. Le catalyseur est toujours différent. Lorsque nous essayons de réaliser des études de caractérisation ou de réacteur sur ce matériau passivé, les éléments que nous mesurons ne reflètent pas la véritable nature de ce matériau. Pour atténuer ce défi, nous avons dû élaborer un nouveau protocole pour effectuer in situ carbonisation, ce qui signifie que nous avons fabriqué le matériau dans le réacteur où nous avons effectué ces études de conversion du CO2, puis avons immédiatement démarré la réaction sans aucune exposition à l'air.

Notes techniques :Pouvez-vous expliquer en termes simples ce qu'est le programme de température de carburation ?

Porosoff :La carburation programmée en température signifie que nous commençons avec un pré-catalyseur, l'oxyde de tungstène. Ensuite, nous devons traiter thermiquement l’oxyde de tungstène présent dans les gaz de carburation pour fabriquer du carbure de tungstène. Le processus implique l’écoulement de précurseurs de carbone gazeux, qui dans ce cas est du méthane, ainsi que de l’hydrogène sous une rampe de température. Ainsi, la température augmente et suit un programme précis pendant que ces gaz circulent. En bref, cela signifie que nous faisons circuler du méthane et de l'hydrogène tout en modifiant et en augmentant la température pour convertir l'oxyde de tungstène en carbure de tungstène.

Notes techniques :Comment le carbure de tungstène peut-il aider à l'hydrocraquage ? Et pouvez-vous nous expliquer ce qu'est l'hydrocraquage ?

Porosoff :L'hydrocraquage est une série de réactions qui utilisent l'hydrogène pour rompre les liaisons carbone-carbone. Et la raison pour laquelle cela est important est que les plastiques comme les polyoléfines, le polyéthylène et le polypropylène sont constitués de très longues chaînes de liaisons carbone-carbone. Donc, si nous voulons prendre ces gros plastiques – comme les bouteilles d’eau, les déchets plastiques – et les réutiliser ou les recycler, nous devons être capables de briser ces liens efficacement. Et pour briser ces liens, vous avez besoin de deux fonctions. Vous avez besoin d'une fonction acide et vous avez besoin d'une fonction métallique.

La pièce en carbure de tungstène possède cette fonctionnalité métallique. Et puis il y a aussi ces groupes d’oxydes présents à la surface – les oxydes de tungstène – qui peuvent réaliser une fonctionnalité acide. Ainsi, ces deux fonctions sont présentes dans ces catalyseurs au carbure.

Notes techniques :Quels sont vos projets futurs ?

Porosoff :Nous continuons à étudier le potentiel du catalyseur au carbure pour diverses réactions visant à augmenter l'efficacité énergétique.