增强碳化钨：现代应用的一个有前途的替代品

安德鲁·科塞利

钨的滑移：在动力学控制下（由表面轮廓表示）渗碳的演变（由球体表示）。分子束代表合成条件下的气体逸出，而炽热的球体则突出显示纯半碳化钨相的形成，顶部还有额外的分子束以说明其催化性能。 （图片来源：Sinhara M. H. D. Perera 插图）

从塑料到洗涤剂等重要的日常产品都是通过化学反应制成的，这些反应主要使用铂等贵金属作为催化剂。多年来，科学家们一直在寻找更可持续、更低成本的替代品，而碳化钨——一种地球上储量丰富的金属，通常用于工业机械、切削工具和凿子——是一个很有前途的候选者。

但碳化钨的一些特性限制了其应用。罗彻斯特大学化学与可持续工程系副教授 Marc Porosoff 和他的合作者最近取得了几项关键进展，使碳化钨成为化学反应中更可行的铂替代品。

Sinhara Perera，化学工程博士。波罗索夫实验室的学生表示，碳化钨很难成为生产有价值产品的催化剂，部分原因在于它的原子可以排列成许多不同的结构——称为相。

“人们对碳化钨的表面结构还没有清楚的了解，因为测量发生这些化学反应的室内催化表面确实很困难，”佩雷拉说。

在ACS Catalysis上发表的一项研究中 Porosoff、Perera 和化学工程本科生 Eva Ciuffetelli '27 通过非常仔细地在化学反应器（温度可达 700 °C 以上的容器）内以纳米级水平操控碳化钨颗粒，克服了这个问题。他们使用一种称为程序升温渗碳的工艺，在反应器内制造出所需相的碳化钨催化剂，运行反应，然后研究哪种版本表现最好。

这是独家技术简介 与波罗索夫的采访，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

热量开启：热量从进行放热反应的颗粒（红色）传递到进行吸热反应的颗粒（蓝色）。热探针用红外光激发颗粒，颗粒发出绿光，为催化剂表面提供比研究人员以前能够实现的更准确的温度测量形式。 （图片来源：Sinhara M. H. D. Perera 插图）

技术简介 ：您在进行程序升温渗碳时遇到的最大技术挑战是什么？

波罗索夫 ：有几个问题；它们与一些不同的事情有关。首先，我们的目标碳化钨相是亚稳态相。它的热力学稳定性不如六方相。因此，我们希望以正交晶系 β W2C 为目标，但热力学有利于 δ WC。这是一项挑战。

下一个挑战是这些材料非常自燃，这意味着它们暴露在空气中时会燃烧。因此，一个要求是，如果我们在制造材料或将其移入反应器后想要进行任何类型的表征，则必须进行钝化，这意味着我们用低浓度的氧气进行受控氧化。这会在材料表面形成保护性氧化层。

问题是，一旦形成保护性氧化层，材料就不再一样了。催化剂永远不同。当我们尝试对钝化材料进行表征或反应器研究时，我们测量的东西并不能反映该材料的真实性质。为了缓解这一挑战，我们必须提出一个新的协议来进行原位 碳化，这意味着我们在进行二氧化碳转化研究的反应器中制造了材料，然后立即开始反应，而没有任何接触空气的情况。

技术简介 :能简单解释一下什么是程序升温渗碳吗？

波罗索夫 ：程序升温渗碳意味着我们从预催化剂氧化钨开始。然后我们必须在渗碳气体中对氧化钨进行热处理以制成碳化钨。该过程涉及气态碳前体（在本例中为甲烷）与氢气在升温过程中流动。因此，当这些气体流动时，温度会升高并遵循特定的程序。简而言之，这意味着我们在改变和提高温度以将氧化钨转化为碳化钨的同时流动甲烷和氢气。

技术简介 ：碳化钨如何帮助加氢裂化？您能解释一下什么是加氢裂化吗？

波罗索夫 ：加氢裂化是一系列使用氢破坏碳-碳键的反应。这一点很重要，因为聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯等塑料由这些非常长的碳-碳键链组成。因此，如果我们想利用这些大型塑料——比如水瓶、废塑料——然后重新利用或回收它们，我们就必须能够有效地打破这些键。为了打破这些联系，你需要两个功能。你需要一个酸性功能，你需要一个金属功能。

碳化钨部件具有金属功能。然后表面上还存在这些氧化物基团——氧化钨——可以发挥酸功能。因此，这些碳化物催化剂中存在这两种功能。

技术简介 ：未来有什么计划？

波罗索夫 ：我们正在继续研究碳化物催化剂在各种反应中的潜力，以提高能源效率。