炭化タングステンの強化:最新のアプリケーションの有望な代替品

アンドリュー・コルセリ

タングステンのスリップ:運動制御 (表面の等高線で示す) の下での浸炭の進行 (球で示す)。分子線は合成条件下でのガスの発生を表し、燃えるような球体は純粋な半炭化タングステン相の形成を強調し、その上部に追加の分子線が触媒性能を示しています。 （画像：イラスト：Sinhara M. H. D. Perera）

プラスチックから洗剤に至るまで、重要な日用品は、主にプラチナなどの貴金属を触媒として使用する化学反応によって作られています。科学者たちは何年もの間、より持続可能で低コストの代替品を探してきましたが、炭化タングステン（産業機械、切削工具、彫刻刀などに一般的に使用される地球上に豊富に存在する金属）が有望な候補です。

しかし、炭化タングステンにはその用途が制限される特性があります。ロチェスター大学化学・持続可能性工学部准教授のマーク・ポロソフ氏とその共同研究者らは、最近、炭化タングステンを化学反応においてプラチナに代わるより現実的な代替品にするためのいくつかの重要な進歩を達成しました。

シンハラ・ペレラ、化学工学博士。ポロソフの研究室の学生は、炭化タングステンが貴重な製品を製造する触媒としての役割を果たしにくい理由の 1 つは、その原子が相と呼ばれるさまざまな配置に配置できることであると述べました。

「これらの化学反応が起こるチャンバー内の触媒表面を測定するのは非常に難しいため、タングステンカーバイドの表面構造については明確に理解されていません」とペレラ氏は述べています。

ACS Cataracy に掲載された研究によると 、ポロソフ、ペレラ、および化学工学の学部生エヴァ・チュフェテッリ ’27 は、温度が 700 °C 以上に達する可能性のある化学反応器内で炭化タングステン粒子をナノスケール レベルで非常に慎重に操作することで、この問題を克服しました。彼らは、温度プログラム浸炭と呼ばれるプロセスを使用して、リアクター内の目的の相で炭化タングステン触媒を作成し、反応を実行して、どのバージョンが最も優れたパフォーマンスを発揮するかを研究しました。

こちらは独占的な技術ブリーフです。 ポロソフとのインタビュー。長さと明瞭さのために編集されています。

熱がオンになっている:熱は、発熱反応 (赤) を起こしている粒子から吸熱反応 (青) を起こしている粒子に伝達されます。熱プローブが赤外光で粒子を励起すると、粒子は緑色の光を発し、研究者がこれまでに達成できたものよりも正確な触媒表面の温度測定が可能になります。 （画像：イラスト：Sinhara M. H. D. Perera）

技術概要 :温度プログラム浸炭を実行する際に直面した最大の技術的課題は何ですか?

ポロソフ :いくつか問題がありました。それらはいくつかの異なることに関連しています。 1 つ目は、私たちがターゲットとしていた炭化タングステンの相は準安定相であるということです。この六方晶相よりも熱力学的安定性が低くなります。したがって、斜方晶系ベータ W2C をターゲットにしたかったのですが、熱力学ではデルタ WC が有利です。それは 1 つの課題です。

次の課題は、これらの材料は非常に自然発火性が高く、空気に触れると発火するということです。したがって、材料を作成した後、または反応器に移した後に何らかの特性評価を行いたい場合は、要件として不動態化を行う必要があります。これは、低濃度の酸素で制御された酸化を行うことを意味します。これにより、材料の表面に保護酸化物層が形成されます。

そして問題は、その保護酸化層を一度形成すると、その材料は二度と同じにはならないということです。触媒はまったく異なります。不動態化された材料の特性評価や反応器の研究を行おうとすると、測定している内容はその材料の本当の性質を反映していません。その課題を軽減するために、 私たちはその場で実行するための新しいプロトコルを考え出す必要がありました。 炭化とは、これらの CO2 変換研究を行った反応器で材料を製造し、空気にさらすことなく直ちに反応を開始したことを意味します。

技術概要 :温度プログラム浸炭とは何なのか、簡単に説明していただけますか?

ポロソフ :温度プログラム浸炭とは、プレ触媒である酸化タングステンから開始することを意味します。次に、酸化タングステンを浸炭ガス中で熱処理して炭化タングステンを作る必要があります。このプロセスには、ガス状炭素前駆体 (この場合はメタン) を温度上昇下で水素とともに流すことが含まれます。したがって、これらのガスが流れている間、温度は特定のプログラムに従って上昇します。つまり、酸化タングステンを炭化タングステンに変換するために温度を変化させて上昇させながら、メタンと水素を流しているということです。

技術概要 :炭化タングステンは水素化分解にどのように役立ちますか?水素化分解とは何なのか説明していただけますか?

ポロソフ :水素化分解は、水素を使用して炭素-炭素結合を切断する一連の反応です。これが重要な理由は、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炭素-炭素結合の非常に長い鎖で構成されているためです。したがって、水筒や廃プラスチックなどの大きなプラスチックを取り出して再利用またはリサイクルしたい場合は、それらの結合を効率的に破壊できなければなりません。そして、それらの結合を断ち切るには、2 つの関数が必要です。酸機能も必要ですし、金属機能も必要です。

タングステンカーバイド部分は金属としての機能を持っています。さらに、表面には酸化タングステンなどの酸化物基が存在し、酸機能を発揮します。つまり、これら 2 つの機能がこれらの炭化物触媒内に存在します。

技術概要 :将来の計画は何ですか?

ポロソフ :私たちは、エネルギー効率を高めるために、さまざまな反応に対するカーバイド触媒の可能性を調査し続けています。