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 (illustrée par les contours de surface). Les faisceaux moléculaires représentent l'évolution des gaz sous conditions de synthèse tandis que la sphère ardente met en évidence la formation de la phase semi-carbure de tungstène pure avec des faisceaux moléculaires supplémentaires en haut pour illustrer sa performance catalytique. (Image : Illustration par Sinhara M. H. D. Perera)

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

Mais le carbure de tungstène a des propriétés qui ont limité ses applications. Marc Porosoff, professeur associé à l'Université de Rochester, département de génie chimique et de durabilité, et ses collaborateurs ont récemment réalisé plusieurs avancées clés pour rendre le carbure de tungstène une alternative plus viable au platine dans les réactions chimiques.

Sinhara Perera, doctorante en génie chimique dans le laboratoire de Porosoff, a déclaré qu'une partie de ce qui rend le carbure de tungstène un catalyseur difficile pour produire des produits précieux est que ses atomes peuvent être arrangés dans de nombreuses configurations différentes — connues sous le nom de phases.

« Il n'y a pas eu de compréhension claire de la structure de surface du carbure de tungstène parce qu'il est vraiment 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 l'étudiante de premier cycle en génie chimique Eva Ciuffetelli '27 ont surmonté ce problème en manipulant très soigneusement les particules de carbure de tungstène à l'échelle nanométrique à l'intérieur du réacteur chimique — un récipient où les températures peuvent dépasser 700 °C. En utilisant un processus appelé carburation programmée en température, ils ont créé des catalyseurs de carbure de tungstène dans leur phase désirée à l'intérieur du réacteur, ont fait tourner la réaction, et ont ensuite étudié les versions qui performaient le mieux.

Voici une interview exclusive de Tech Briefs, éditée pour la longueur et la clarté, avec Porosoff.

La chaleur est activée : 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 de la lumière infrarouge, et la particule émet de la lumière verte, fournissant une forme plus précise de mesure de température pour les surfaces des catalyseurs que les chercheurs n'étaient previously capables d'atteindre. (Image : Illustration par Sinhara M. H. D. Perera)

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique que vous avez rencontré lors de la carburation programmée en température ?

Porosoff : Il y avait quelques problèmes ; ils se rapportent à quelques choses différentes. Le premier est que la phase de carbure de tungstène que nous ciblions est une phase métastable. Elle est moins thermodynamiquement stable que cette phase hexagonale. Donc, nous voulions cibler l'orthorhombique bêta 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'enflamment quand ils sont exposés à l'air. Donc, une exigence est que nous — si nous voulons faire أي type de caractérisation après avoir fait le matériau ou le déplacer dans un réacteur — devions faire une passivation, ce qui signifie que nous faisons une oxydation contrôlée avec une faible concentration d'oxygène. Cela forme cette couche d'oxyde protectrice sur la surface du matériau.

Et le problème est, une fois que vous formez cette couche d'oxyde protectrice, le matériau n'est plus jamais le même. Le catalyseur est à jamais différent. Quand nous essayons de faire de la caractérisation ou des études de réacteur sur ce matériau passivé, les choses que nous mesurons ne reflètent pas la vraie nature de ce matériau. Pour soulager ce défi, nous avons dû inventer un nouveau protocole pour faire de la carburation in-situ, ce qui signifie que nous avons fait le matériau dans le réacteur où nous avons fait ces études de conversion CO2, et puis avons immédiatement commencé la réaction sans aucune exposition à l'air.

Tech Briefs : Pouvez-vous expliquer en termes simples ce qu'est la carburation programmée en température ?

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 dans les gaz de carburation pour faire du carbure de tungstène. Le processus implique le flux de précurseurs de carbone gazeux, qui dans ce cas est le méthane, avec de l'hydrogène sous une rampe de température. Donc, la température augmente et suit un programme spécifique tandis que ces gaz fluxent. En bref, cela signifie que nous faisons fluxer du méthane et de l'hydrogène pendant que nous changeons et augmentons la température pour convertir l'oxyde de tungstène en carbure de tungstène.

Tech Briefs : Comment le carbure de tungstène peut-il aider avec l'hydrocraquage ? Et pouvez-vous expliquer ce qu'est l'hydrocraquage ?

Porosoff : L'hydrocraquage est une série de réactions qui utilise l'hydrogène pour briser les liaisons carbone-carbone. Et la raison pour laquelle c'est important est parce que les plastiques comme les polyoléfines, le polyéthylène, le polypropylène consistent en ces chaînes très longues 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 liaisons efficacement. Et pour briser ces liaisons, vous avez besoin de deux fonctions. Vous avez besoin d'une fonction acide, et vous avez besoin d'une fonction métallique.

La partie carbure de tungstène a cette fonctionnalité métallique. Et puis il y a aussi ces groupes d'oxydes présents sur la surface — des oxydes de tungstène — qui peuvent effectuer la fonctionnalité acide. Donc, ces deux fonctions sont présentes dans ces catalyseurs de carbure.

Tech Briefs : Quels sont vos plans futurs ?

Porosoff : Nous continuons à investiguer le potentiel des catalyseurs de carbure pour diverses réactions pour augmenter l'efficacité énergétique.