Mejora del carburo de tungsteno:una alternativa prometedora para aplicaciones modernas

Andrés Corselli

Deslizamiento del tungsteno:la evolución de la carburación (representada por las esferas) bajo control cinético (ilustrado por los contornos de la superficie). Los haces moleculares representan la evolución del gas en condiciones de síntesis, mientras que la esfera ardiente resalta la formación de la fase de semicarburo de tungsteno puro con haces moleculares adicionales en la parte superior para ilustrar su rendimiento catalítico. (Imagen:Ilustración de Sinhara M. H. D. Perera)

Productos cotidianos importantes, desde plásticos hasta detergentes, se fabrican mediante reacciones químicas que utilizan principalmente metales preciosos como el platino como catalizadores. Los científicos han estado buscando sustitutos más sostenibles y de bajo costo durante años, y el carburo de tungsteno (un metal abundante en la Tierra que se usa comúnmente para maquinaria industrial, herramientas de corte y cinceles) es un candidato prometedor.

Pero el carburo de tungsteno tiene propiedades que han limitado sus aplicaciones. Marc Porosoff, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y de Sostenibilidad de la Universidad de Rochester, y sus colaboradores lograron recientemente varios avances clave para hacer del carburo de tungsteno una alternativa más viable al platino en reacciones químicas.

Sinhara Perera, Ph.D. en ingeniería química. estudiante en el laboratorio de Porosoff, dijo que parte de lo que hace que el carburo de tungsteno sea un catalizador difícil para producir productos valiosos es que sus átomos pueden organizarse en muchas configuraciones diferentes, conocidas como fases.

"No ha habido una comprensión clara de la estructura de la superficie del carburo de tungsteno porque es realmente difícil medir la superficie catalítica dentro de las cámaras donde tienen lugar estas reacciones químicas", dijo Perera.

En un estudio publicado en ACS Catalysis , Porosoff, Perera y la estudiante de ingeniería química Eva Ciuffetelli '27 superaron este problema manipulando con mucho cuidado partículas de carburo de tungsteno a nivel de nanoescala dentro del reactor químico, un recipiente donde las temperaturas pueden alcanzar más de 700 °C. Utilizando un proceso llamado carburación con temperatura programada, crearon catalizadores de carburo de tungsteno en la fase deseada dentro del reactor, ejecutaron la reacción y luego estudiaron qué versiones funcionaban mejor.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Porosoff.

El calor está encendido:el calor se transfiere de una partícula que sufre una reacción exotérmica (rojo) a una partícula que sufre una reacción endotérmica (azul). Una sonda térmica excita una partícula con luz infrarroja y la partícula emite luz verde, lo que proporciona una forma más precisa de medición de temperatura para las superficies de los catalizadores de lo que los investigadores podían lograr anteriormente. (Imagen:Ilustración de Sinhara M. H. D. Perera)

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentó al realizar la carburación con temperatura programada?

Porosoff :Hubo un par de problemas; se relacionan con algunas cosas diferentes. La primera es que la fase del carburo de tungsteno a la que nos dirigíamos es una fase metaestable. Es menos termodinámicamente estable que esta fase hexagonal. Entonces, queríamos apuntar al W2C beta ortorrómbico, pero la termodinámica favorece al WC delta. Ése es un desafío.

El siguiente desafío fue que estos materiales son muy pirofóricos, lo que significa que arderán cuando estén expuestos al aire. Entonces, un requisito es que nosotros, si queremos hacer algún tipo de caracterización después de fabricar el material o moverlo a un reactor, tenemos que hacer una pasivación, lo que significa que hacemos una oxidación controlada con una baja concentración de oxígeno. Eso forma esta capa protectora de óxido en la superficie del material.

Y el problema es que, una vez que se forma esa capa protectora de óxido, el material nunca vuelve a ser el mismo. El catalizador es siempre diferente. Cuando intentamos hacer caracterizaciones o estudios de reactores sobre ese material pasivado, las cosas que estamos midiendo no reflejan la verdadera naturaleza de ese material. Para aliviar ese desafío, tuvimos que idear un nuevo protocolo para realizar in situ carbonización, lo que significa que fabricamos el material en el reactor donde hicimos estos estudios de conversión de CO2 y luego comenzamos inmediatamente la reacción sin ninguna exposición al aire.

Resúmenes técnicos :¿Puedes explicarnos en términos sencillos qué es el programa de temperatura de carburación?

Porosoff :La carburación con temperatura programada significa que comenzamos con un precatalizador, óxido de tungsteno. Luego tenemos que tratar térmicamente el óxido de tungsteno en los gases de carburación para producir carburo de tungsteno. El proceso implica el flujo de precursores de carbono gaseosos, que en este caso es metano, junto con hidrógeno bajo una rampa de temperatura. Entonces, la temperatura va aumentando y sigue un programa específico mientras estos gases fluyen. En resumen, significa que estamos haciendo fluir metano e hidrógeno mientras cambiamos y aumentamos la temperatura para convertir el óxido de tungsteno en carburo de tungsteno.

Resúmenes técnicos :¿Cómo puede ayudar el carburo de tungsteno con el hidrocraqueo? ¿Y puedes explicar qué es el hidrocracking?

Porosoff :El hidrocraqueo es una serie de reacciones que utilizan hidrógeno para romper los enlaces carbono-carbono. Y la razón por la que esto es importante es porque los plásticos como las poliolefinas, el polietileno y el polipropileno consisten en cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono. Entonces, si queremos tomar estos plásticos grandes (como botellas de agua y plástico de desecho) y luego reutilizarlos o reciclarlos, tenemos que ser capaces de romper esos vínculos de manera eficiente. Y para romper esos vínculos, se necesitan dos funciones. Necesitas una función ácida y necesitas una función metálica.

La pieza de carburo de tungsteno tiene esa funcionalidad metálica. Y luego también están estos grupos de óxido presentes en la superficie (óxidos de tungsteno) que pueden realizar una funcionalidad ácida. Entonces, esas dos funciones están presentes dentro de estos catalizadores de carburo.

Resúmenes técnicos :¿Cuáles son tus planes futuros?

Porosoff :Seguimos investigando el potencial del catalizador de carburo para diversas reacciones con el fin de aumentar la eficiencia energética.