Mejorar el Carburo de Tungsteno: Una Alternativa Prometedora para Aplicaciones Modernas

Andrew Corselli

Resbalón del tungsteno: La evolución de la carburización (representada por las esferas) bajo control cinético (ilustrada por los contornos de superficie). Los haces moleculares representan la evolución de gas bajo condiciones de síntesis mientras que la esfera ardiente destaca la formación de la fase de semi-carburo de tungsteno puro con haces moleculares adicionales en la parte superior para ilustrar su rendimiento catalítico. (Imagen: Ilustración por Sinhara M. H. D. Perera)

Productos cotidianos importantes —desde plásticos hasta detergentes— se fabrican mediante reacciones químicas que mayormente usan metales preciosos como el platino como catalizadores. Los científicos han buscado sustitutos más sostenibles y de bajo costo por años, y el carburo de tungsteno —un metal abundante en la Tierra usado 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, Universidad de Rochester, Departamento de Ingeniería Química y de Sostenibilidad, 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, estudiante de doctorado en ingeniería química en el laboratorio de Porosoff, dijo que parte de lo que hace al carburo de tungsteno un catalizador difícil para producir productos valiosos es que sus átomos pueden arreglarse en muchas configuraciones diferentes —conocidas como fases.

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

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

Aquí hay una entrevista exclusiva de Tech Briefs, editada por longitud y claridad, con Porosoff.

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

Tech Briefs: ¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentó al realizar la carburización programada por temperatura?

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

El siguiente desafío fue que estos materiales son muy pirofóricos, y eso significa que se comburirán cuando se expongan al aire. Así que, un requisito es que —si queremos hacer cualquier tipo de caracterización después de hacer el material o moverlo a un reactor— tengamos 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, una vez que formas esa capa protectora de óxido, el material nunca es el mismo de nuevo. El catalizador es para siempre diferente. Cuando intentamos hacer caracterización o estudios de reactor en ese material pasivado, las cosas que medimos no reflejan la verdadera naturaleza de ese material. Para aliviar ese desafío, tuvimos que idear un nuevo protocolo para hacer carburización in-situ, lo que significa que hicimos el material en el reactor donde hicimos estos estudios de conversión de CO2, e inmediatamente comenzamos la reacción sin ninguna exposición al aire.

Tech Briefs: ¿Puede explicar en términos simples qué es la carburización programada por temperatura?

Porosoff: La carburización programada por temperatura significa que empezamos con un pre-catalizador, óxido de tungsteno. Luego tenemos que tratar térmicamente el óxido de tungsteno en los gases de carburización para hacer carburo de tungsteno. El proceso implica fluir precursores de carbono gaseosos, que en este caso es metano, junto con hidrógeno bajo una rampa de temperatura. Así que la temperatura está aumentando y sigue un programa específico mientras estos gases están fluyendo. En resumen, significa que estamos fluyendo metano e hidrógeno mientras cambiamos y aumentamos la temperatura para convertir óxido de tungsteno en carburo de tungsteno.

Tech Briefs: ¿Cómo puede el carburo de tungsteno ayudar con el hidrocraqueo? ¿Y puede explicar qué es el hidrocraqueo?

Porosoff: El hidrocraqueo es una serie de reacciones que usa hidrógeno para romper enlaces carbono-carbono. Y la razón por la que esto es importante es porque plásticos como poliolefinas, polietileno, polipropileno consisten en estas cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono. Así que, si queremos tomar estos grandes plásticos —como botellas de agua, plástico de desecho— y luego reutilizarlos o reciclarlos, tenemos que ser capaces de romper esos enlaces eficientemente. Y para romper esos enlaces, necesitas dos funciones. Necesitas una función ácida, y necesitas una función metálica.

La parte de carburo de tungsteno tiene esa funcionalidad metálica. Y luego también hay estos grupos de óxido presentes en la superficie —óxidos de tungsteno— que pueden realizar funcionalidad ácida. Así que esas dos funciones están presentes dentro de estos catalizadores de carburo.

Tech Briefs: ¿Cuáles son sus planes futuros?

Porosoff: Continuamos investigando el potencial de catalizadores de carburo para varias reacciones para aumentar la eficiencia energética.