Революционен катализатор прави рециклирането на пластмаса 10 пъти по-бързо

Екип от изследователи от Университета в Рочестър е разработил нова форма на волфрамов карбид, която може да се конкурира със скъпите платинени катализатори в критичните химични реакции, включително превръщането на въглеродния диоксид в гориво и рециклирането на пластмасовите отпадъци. Откритието може да намали разходите за екологични технологии.

Платинените катализатори са се превърнали в стандарт в много химични процеси поради своята ефективност. Но платината е скъп и рядък метал, чието предлагане е ограничено. Високата цена и недостигът на платина създават сериозни пречки пред широкомащабното прилагане на технологиите за рециклиране на CO₂ и управление на отпадъците.

Учените предложиха използването на волфрамов карбид като алтернатива на платинените катализатори – този материал е много по-достъпен и широко разпространен. Въпреки това използването на съединение на въглерод и волфрам като катализатор досега бе трудно поради непредсказуемото му химическо поведение.

Атомите на волфрамовия карбид могат да образуват различни конфигурации и фази, всяка от които влияе по различен начин върху каталитичните свойства на материала. За да получат желаните характеристики, изследователите са използвали метода на термично програмираната карбуризация, който позволява да се контролира атомната структура на материала чрез контролирано нагряване от 700°C и повече. Това им е позволило да синтезират специфична карбидна фаза с високи каталитични свойства.

Едно от ключовите предизвикателства е каталитичното преобразуване на въглеродния диоксид в полезни въглеводородни съединения и химикали. В новата форма на волфрамовия карбид, по-конкретно фазата β-W₂C, материалът показа ефективност, сравнима с тази на платината, в реакции, насочени към превръщането на CO₂ в прекурсори за горива и други вещества.

Изследователите тестват волфрамовия карбид и като катализатор за рециклиране на пластмасовите отпадъци. При експерименти с полипропилен, използван в бутилки и други продукти, материалът предизвиква хидрокрекинг – процес на разграждане на дългите полимерни вериги на по-малки, рециклируеми молекули.

Хидрокрекингът се използва при рафинирането на петрол, но използването му за рециклиране на пластмасови отпадъци е трудно. Дългите полимерни вериги на пластмасите за еднократна употреба са изключително устойчиви, замърсителите бързо деактивират стандартните катализатори, а платинените катализатори с микропори не позволяват проникването на големи молекули, което намалява ефективността им. В правилната фаза волфрамовият карбид съчетава метални и киселинни свойства, които разцепват въглеродните вериги на полимерите и позволяват лесно взаимодействие с големите пластмасови молекули.

Този подход се оказа над десет пъти по-ефективен и значително по-евтин от използването на платинени катализатори.

Важен аспект на успеха е не само получаването на подходящата фаза на материала, но и точното измерване и контрол на температурата на повърхността на катализатора. Новите методи за оптично измерване на температурата в реакторите позволиха на учените да координират реакциите, което подобри възпроизводимостта и ефективността на катализаторите.