タングステンカーバイドの機能向上：現代用途への有望な代替材料

Andrew Corselli

タングステンの滑り：運動論的制御下（表面輪郭で示す）での炭化進行（球で描写）。分子ビームは合成条件下でのガス発生を表し、燃える球は追加分子ビームとともに頂部にあり、純粋なタングステン半炭化物相の形成とその触媒性能を示唆。（画像：Sinhara M. H. D. Pereraによるイラスト）

プラスチックから洗剤まで、重要な日常製品の多くは化学反応で製造され、その多くは白金などの貴金属を触媒として使用しています。科学者たちは何年も前から、より持続可能で低コストな代替材料を探してきました。タングステンカーバイド — 産業機械、切削工具、ノミに広く使われる埋蔵量豊富な金属 — は有望な候補です。

しかしタングステンカーバイドには、用途を限定してきた特性があります。ロチェスター大学化学・持続可能性工学科のMarc Porosoff准教授と共同研究者たちは最近、タングステンカーバイドを化学反応での白金代替としてより実用的にするいくつかの重要な進歩を達成しました。

Porosoff研究室の化学工学博士課程Sinhara Perera氏は、タングステンカーバイドが価値ある製品生産の触媒として難しい理由の一部は、その原子が多くの異なる配置 — 相として知られる — で配列し得ることにあると語ります。

「タングステンカーバイドの表面構造について明確な理解がなかったのは、化学反応が起こるチャンバー内部での触媒表面を測定するのが本当に難しいためです」とPerera氏。

ACS Catalysis誌に掲載された研究で、Porosoff氏、Perera氏、化学工学学部生Eva Ciuffetelli氏（'27卒）は、化学反応器内でナノスケールレベルでタングステンカーバイド粒子を慎重に操作することでこの問題を克服しました — 反応器は700℃以上に達する容器です。温度プログラム炭化法と呼ばれるプロセスを用いて、反応器内で所望の相のタングステンカーバイド触媒を作製し、反応を実行し、どのバージョンが最も性能が良いかを研究しました。

ここでは、Porosoff氏への独占Tech Briefsインタビューを長さと明確さのために編集してお届けします。

熱がオン：発熱反応を起こす粒子（赤）から吸熱反応粒子（青）へ熱が移動。熱プローブが赤外光で粒子を励起し、粒子が緑色光を放出。これにより研究者たちが以前達成できなかった触媒表面のより精確な温度測定を提供。（画像：Sinhara M. H. D. Pereraによるイラスト）

Tech Briefs: 温度プログラム炭化を実行する上で直面した最大の技術的課題は何でしたか？

Porosoff: いくつかの問題がありました；いくつか異なることに関連しています。第一に、我々が狙ったタングステンカーバイド相は準安定相です。この六方最密充填相より熱力学的に不安定です。直方晶β-W₂Cを狙いましたが、熱力学的にはδ-WCが有利です。それが一つの課題。

次の課題は、これらの材料が発火性が高く、空気暴露で燃焼することです。したがって、材料製造後のキャラクタリゼーションや反応器への移動を望むなら、パッシベーション（低濃度酸素での制御酸化）が必要で、材料表面に保護酸化層を形成します。問題は、一度その保護酸化層が形成されると、材料は二度と同じではなくなることです。触媒は永遠に異なるものになります。パッシベートされた材料でキャラクタリゼーションや反応器研究をしようとすると、測定されるものはその材料の真の性質を反映しません。この課題を緩和するため、in-situ炭化の新プロトコルを考案しました — CO2変換研究を行う反応器で材料を作り、空気暴露なしで即座に反応を開始します。

Tech Briefs: 温度プログラム炭化を簡単に説明できますか？

Porosoff: 温度プログラム炭化とは、前駆触媒である酸化タングステンから始めます。次に、炭化ガス中で酸化タングステンを熱処理してタングステンカーバイドを作ります。プロセスは気相炭素前駆体（この場合メタン）を水素とともに温度ランプ下で流すことです。温度が上昇し、特定のプログラムに従いながらこれらのガスを流します。要するに、メタンと水素を流しながら温度を変化・上昇させて酸化タングステンをタングステンカーバイドに変換します。

Tech Briefs: タングステンカーバイドは水素化分解にどう役立ちますか？ 水素化分解とは何ですか？

Porosoff: 水素化分解は、水素を用いて炭素-炭素結合を切断する一連の反応です。これが重要なのは、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのプラスチックがこれらの非常に長い炭素-炭素結合鎖で構成されているからです。ペットボトル、廃プラスチックのような大きなプラスチックを再利用・リサイクルしたいなら、それらの結合を効率的に切断できる必要があります。結合切断には2つの機能が必要です。酸機能と金属機能です。

タングステンカーバイド部分が金属機能を持ちます。また表面には酸化タングステン基も存在し、酸機能を果たせます。したがって、これら2つの機能がカーバイド触媒内に存在します。

Tech Briefs: 今後の計画は？

Porosoff: カーバイド触媒のさまざまな反応への可能性を調査し続け、エネルギー効率向上を目指します。