Melhorando o carboneto de tungstênio:uma alternativa promissora para aplicações modernas

André Corselli
Deslizamento do tungstênio:A evolução da carburação (representada pelas esferas) sob controle cinético (ilustrado pelos contornos da superfície). Os feixes moleculares representam a evolução do gás sob condições de síntese, enquanto a esfera de fogo destaca a formação da fase pura de semicarboneto de tungstênio com feixes moleculares adicionais no topo para ilustrar seu desempenho catalítico. (Imagem:Ilustração de Sinhara MHD Perera)
Produtos importantes do dia a dia — desde plásticos a detergentes — são produzidos através de reações químicas que utilizam principalmente metais preciosos, como a platina, como catalisadores. Os cientistas têm procurado substitutos mais sustentáveis ​​e de baixo custo há anos, e o carboneto de tungstênio – um metal abundante na Terra comumente usado em máquinas industriais, ferramentas de corte e cinzéis – é um candidato promissor.

Mas o carboneto de tungstênio tem propriedades que limitaram suas aplicações. Marc Porosoff, professor associado da Universidade de Rochester, Departamento de Engenharia Química e Sustentabilidade, e seus colaboradores alcançaram recentemente vários avanços importantes para tornar o carboneto de tungstênio uma alternativa mais viável à platina em reações químicas.

Sinhara Perera, Ph.D. em engenharia química. estudante do laboratório de Porosoff, disse que parte do que torna o carboneto de tungstênio um catalisador difícil para a produção de produtos valiosos é que seus átomos podem ser organizados em muitas configurações diferentes – conhecidas como fases.

“Não houve uma compreensão clara da estrutura da superfície do carboneto de tungstênio porque é realmente difícil medir a superfície catalítica dentro das câmaras onde ocorrem essas reações químicas”, disse Perera.

Em um estudo publicado em ACS Catalysis , Porosoff, Perera e a estudante de engenharia química Eva Ciuffetelli '27 superaram esse problema manipulando com muito cuidado partículas de carboneto de tungstênio em nível de nanoescala dentro do reator químico - um recipiente onde as temperaturas podem atingir acima de 700 °C. Usando um processo chamado carburação com temperatura programada, eles criaram catalisadores de carboneto de tungstênio na fase desejada dentro do reator, executaram a reação e então estudaram quais versões apresentavam melhor desempenho.

Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Porosoff.
O calor está ligado:O calor é transferido de uma partícula que sofre uma reação exotérmica (vermelho) para uma partícula que sofre uma reação endotérmica (azul). Uma sonda térmica excita uma partícula com luz infravermelha, e a partícula emite luz verde, fornecendo uma forma mais precisa de medição de temperatura para as superfícies dos catalisadores do que os pesquisadores conseguiram alcançar anteriormente. (Imagem:Ilustração de Sinhara MHD Perera)
Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou ao realizar a carburação com temperatura programada?

Porosoff :Houve alguns problemas; eles se relacionam com algumas coisas diferentes. A primeira é que a fase do carboneto de tungstênio que almejamos é uma fase metaestável. É menos termodinamicamente estável do que esta fase hexagonal. Portanto, queríamos atingir o beta W2C ortorrômbico, mas a termodinâmica favorece o delta WC. Esse é um desafio.

O próximo desafio foi que esses materiais são muito pirofóricos, o que significa que entrarão em combustão quando expostos ao ar. Então, uma exigência é que nós - se quisermos fazer qualquer tipo de caracterização depois de fabricarmos o material ou movê-lo para um reator - tenhamos que fazer uma passivação, o que significa que fazemos uma oxidação controlada com baixa concentração de oxigênio. Isso forma essa camada protetora de óxido na superfície do material.

E o problema é que, depois de formar essa camada protetora de óxido, o material nunca mais será o mesmo. O catalisador é sempre diferente. Quando tentamos fazer caracterização ou estudos de reatores nesse material passivado, as coisas que medimos não refletem a verdadeira natureza desse material. Para aliviar esse desafio, tivemos que criar um novo protocolo para fazer in-situ carbonização, o que significa que fizemos o material no reator onde fizemos esses estudos de conversão de CO2, e imediatamente iniciamos a reação sem qualquer exposição ao ar.

Resumos técnicos :Você pode explicar em termos simples o que é o programa de carburação de temperatura?

Porosoff :A carburação com temperatura programada significa que começamos com um pré-catalisador, óxido de tungstênio. Então temos que tratar termicamente o óxido de tungstênio nos gases de carburação para produzir carboneto de tungstênio. O processo envolve o fluxo de precursores gasosos de carbono, que neste caso é o metano, juntamente com o hidrogênio sob uma rampa de temperatura. Então, a temperatura vai aumentando e segue um programa específico enquanto esses gases fluem. Resumindo, significa que estamos fluindo metano e hidrogênio enquanto alteramos e aumentamos a temperatura para converter óxido de tungstênio em carboneto de tungstênio.

Resumos técnicos :Como o carboneto de tungstênio pode ajudar no hidrocraqueamento? E você pode explicar o que é hidrocraqueamento?

Porosoff :O hidrocraqueamento é uma série de reações que utiliza hidrogênio para quebrar as ligações carbono-carbono. E a razão pela qual isto é importante é porque plásticos como poliolefinas, polietileno, polipropileno consistem nestas cadeias muito longas de ligações carbono-carbono. Portanto, se quisermos pegar nestes grandes plásticos – como garrafas de água, resíduos de plástico – e depois reutilizá-los ou reciclá-los, temos de ser capazes de quebrar esses laços de forma eficiente. E para quebrar esses laços, você precisa de duas funções. Você precisa de uma função ácida e de uma função metálica.

A peça de carboneto de tungstênio possui essa funcionalidade metálica. E também existem esses grupos de óxidos presentes na superfície – óxidos de tungstênio – que podem desempenhar funcionalidade ácida. Portanto, essas duas funções estão presentes nesses catalisadores de carboneto.

Resumos técnicos :Quais são seus planos futuros?

Porosoff :Continuamos investigando o potencial do catalisador de carboneto para várias reações para aumentar a eficiência energética.