Ingegnerizzazione di un catalizzatore alternativo a basso costo per la produzione di prodotti petrolchimici sostenibili
I metodi appena identificati per sfruttare le proprietà del carburo di tungsteno potrebbero dare vita a validi sostituti dei metalli preziosi
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Importanti prodotti di uso quotidiano - dalla plastica ai detersivi - sono realizzati attraverso reazioni chimiche che utilizzano principalmente metalli preziosi come il platino come catalizzatori. Da anni gli scienziati sono alla ricerca di sostituti più sostenibili e a basso costo e il carburo di tungsteno, un metallo abbondantemente presente sulla Terra e utilizzato comunemente per macchinari industriali, utensili da taglio e scalpelli, è un candidato promettente.
L'evoluzione della carburazione (rappresentata dalle sfere) sotto il controllo cinetico (illustrato dai contorni della superficie). I fasci molecolari rappresentano l'evoluzione del gas in condizioni di sintesi, mentre la sfera infuocata evidenzia la formazione della fase di semicarburo di tungsteno puro con ulteriori fasci molecolari nella parte superiore per illustrare le sue prestazioni catalitiche.
Illustration by Sinhara M. H. D. Perera
Ma il carburo di tungsteno ha proprietà che ne hanno limitato le applicazioni. Marc Porosoff, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e della Sostenibilità dell'Università di Rochester, e i suoi collaboratori hanno recentemente ottenuto diversi progressi chiave per rendere il carburo di tungsteno un'alternativa più valida al platino nelle reazioni chimiche.
Il miglior giro di fase
Sinhara Perera, dottoranda in ingegneria chimica nel laboratorio di Porosoff, afferma che parte di ciò che rende il carburo di tungsteno un catalizzatore difficile da utilizzare per la produzione di prodotti di valore è che i suoi atomi possono essere disposti in molte configurazioni diverse, note come fasi.
"Non c'è stata una chiara comprensione della struttura superficiale del carburo di tungsteno perché è davvero difficile misurare la superficie catalitica all'interno delle camere in cui avvengono queste reazioni chimiche", dice Perera.
In uno studio pubblicato su ACS Catalysis, Porosoff, Perera e la studentessa di ingegneria chimica Eva Ciuffetelli '27 hanno superato questo problema manipolando con molta attenzione le particelle di carburo di tungsteno a livello nanometrico all'interno del reattore chimico, un recipiente in cui le temperature possono raggiungere oltre 700 gradi Celsius. Utilizzando un processo chiamato carburazione programmata in base alla temperatura, hanno creato catalizzatori di carburo di tungsteno nella fase desiderata all'interno del reattore, hanno eseguito la reazione e poi hanno studiato le versioni più performanti.
"Alcune fasi sono più stabili dal punto di vista termodinamico, quindi è lì che il catalizzatore vuole finire", spiega Porosoff. "Ma altre fasi, meno stabili dal punto di vista termodinamico, sono più efficaci come catalizzatori".
I ricercatori hanno identificato una fase particolare -β-W₂C - che funziona particolarmente bene per una reazione che trasforma l'anidride carbonica in importanti precursori per la produzione di prodotti chimici e combustibili utili. Con un'ulteriore messa a punto da parte dell'industria, Porosoff e il suo team ritengono che questa fase del carburo di tungsteno potrebbe essere efficace quanto il platino, senza gli svantaggi del costo elevato e della disponibilità limitata.
Riciclaggio della plastica
Porosoff e i suoi colleghi hanno anche esplorato il carburo di tungsteno come catalizzatore per l'upcycling dei rifiuti plastici e la conversione di vecchie plastiche in nuovi prodotti di alta qualità. Uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, guidato da Linxao Chen della University of North Texas e supportato da Porosoff e dal professore assistente di URochester Siddharth Deshpande, ha mostrato come il carburo di tungsteno possa essere utilizzato per un processo chiamato idrocracking.
Il carburo di tungsteno non solo era meno costoso dei catalizzatori di platino per l'idrocracking, ma era anche più di 10 volte più efficiente.
L'idrocracking consiste nel prendere grandi molecole come il polipropilene - la base delle bottiglie d'acqua e di molte altre forme di plastica - e scomporle chimicamente in molecole più piccole che possono essere utilizzate per nuovi prodotti. Mentre l'idrocracking è stato utilizzato nella raffinazione del petrolio e del gas, la sua applicazione al trattamento dei rifiuti plastici ha rappresentato un problema a causa dell'elevata stabilità delle catene polimeriche che costituiscono la maggior parte delle plastiche monouso e della presenza di contaminanti che disattivano i catalizzatori. I metalli preziosi, come il platino, attualmente utilizzati come catalizzatori si disattivano rapidamente e sono supportati da superfici microporose che non hanno spazio per le lunghe catene polimeriche della plastica monouso.
"Il carburo di tungsteno, se realizzato con la fase corretta, ha proprietà metalliche e acide che sono adatte a rompere le catene di carbonio di questi polimeri", spiega Porosoff. "Queste grandi catene polimeriche ingombranti possono interagire con il carburo di tungsteno molto più facilmente perché non hanno i micropori che causano limitazioni con i tipici catalizzatori a base di platino".
Lo studio ha dimostrato che il carburo di tungsteno non solo è meno costoso dei catalizzatori di platino per l'idrocracking, ma è anche più di 10 volte più efficiente. I ricercatori affermano che questo apre nuove interessanti strade per migliorare i catalizzatori e trasformare i rifiuti plastici in nuovi materiali, sostenendo un'economia circolare.
Temperatura
Alla base di questi progressi nella creazione di catalizzatori più efficienti c'è la capacità di misurare con precisione le temperature sulle superfici dei catalizzatori. Le reazioni chimiche possono assorbire calore (endotermiche) o rilasciarlo (esotermiche) e il controllo della temperatura della superficie del catalizzatore consente agli scienziati di coordinare in modo efficiente più reazioni. Ma le misure attualmente utilizzate per rilevare la temperatura dei catalizzatori forniscono medie approssimative che non danno abbastanza sfumature per misurare accuratamente le condizioni precise necessarie per studiare efficacemente le reazioni chimiche.
Utilizzando tecniche di misurazione ottica sviluppate nel laboratorio di Andrea Pickel, visiting professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, i ricercatori hanno ideato un nuovo modo per misurare la temperatura all'interno dei reattori chimici. Hanno descritto la nuova tecnica in uno studio pubblicato su EES Catalysis.
"Abbiamo appreso da questo studio che, a seconda del tipo di chimica, la temperatura misurata con queste letture di massa può essere sbagliata da 10 a 100 gradi Celsius", dice Porosoff. "Questa è una differenza davvero significativa negli studi catalitici, dove si cerca di garantire la riproducibilità delle misure e l'accoppiamento di più reazioni".
Il team ha applicato la nuova tecnica per studiare i catalizzatori tandem, dove una reazione esotermica fornisce abbastanza calore per innescarne una endotermica. L'accoppiamento efficace di queste reazioni può ridurre al minimo lo spreco di calore e portare a processi di ingegneria chimica più efficienti.
Secondo Porosoff, la tecnica potrebbe anche contribuire a cambiare il modo in cui i ricercatori conducono gli studi sulla catalisi, portando a misurazioni più accurate, a un lavoro riproducibile e a risultati più solidi in tutto il campo.
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