Платиновые катализаторы стали стандартом во многих химических процессах благодаря своей эффективности. Но платина — дорогой и редкий металл, ограниченный в поставках. Высокая стоимость и дефицит платины создают серьезные барьеры для масштабного применения технологий по переработке CO₂ и утилизации отходов.
Ученые предложили использовать карбид вольфрама в качестве альтернативы платиновым катализаторам — этот материал гораздо более доступен и распространен. Однако применение соединения углерода и вольфрама в роли катализатора до сих пор было затруднено из-за непредсказуемого химического поведения.
Атомы карбида вольфрама могут формировать разные конфигурации, или фазы, каждая из которых по-разному влияет на каталитические свойства материала. Для получения нужных характеристик исследователи применяли метод термопрограммируемой карбюризации, который позволяет управлять атомной структурой материала, используя контролируемый нагрев от 700°C и выше. Благодаря этому удалось синтезировать специфическую фазу карбида с высокими каталитическими свойствами.
Одной из ключевых задач была каталитическая конверсия углекислого газа в полезные углеводородные соединения и химические вещества. В новой форме карбида вольфрама, в частности, фазе β-W₂C, материал показал эффективность, сопоставимую с платиной, в реакциях, направленных на преобразование CO₂ в предшественники топлива и других веществ.
Исследователи также протестировали карбид вольфрама как катализатор для переработки пластиковых отходов. В экспериментах с полипропиленом, используемым в бутылках и других изделиях, материал запускал гидрокрекинг — процесс расщепления длинных полимерных цепей на более мелкие молекулы, пригодные для повторного использования.
Гидрокрекинг применяется в нефтепереработке, но его использование для апсайклинга пластиковых отходов затруднено. Длинные полимерные цепи одноразового пластика крайне устойчивы, загрязнения быстро выводят из строя стандартные катализаторы, а платиновые катализаторы с микропорами не позволяют крупным молекулам проникать внутрь, снижая их эффективность. В нужной фазе карбид вольфрама сочетает металлические и кислотные свойства, которые расщепляют углеродные цепи полимеров и обеспечивают лёгкое взаимодействие с крупными молекулами пластика.
Такой подход оказался более чем в десять раз эффективнее и значительно дешевле применения платиновых катализаторов.
Важным аспектом успеха стало не только получение нужной фазы материала, но и точное измерение и контроль температуры на поверхности катализатора. Новые методы оптического измерения температуры в реакторах позволили учёным координировать реакции, что повысило воспроизводимость и производительность катализаторов.
