텅스텐 카바이드 강화:현대 응용 분야를 위한 유망한 대안

앤드류 코셀리

텅스텐의 미끄러짐:운동 제어(표면 윤곽으로 표시) 하에서 침탄(구로 표시)의 진화. 분자 빔은 합성 조건에서 가스 발생을 나타내며 불 같은 구체는 촉매 성능을 설명하기 위해 상단에 추가 분자 빔이 있는 순수한 텅스텐 반탄화물 상의 형성을 강조합니다. (이미지 :Sinhara M. H. D. Perera의 일러스트레이션)

플라스틱부터 세제까지 중요한 일상 제품은 주로 백금과 같은 귀금속을 촉매로 사용하는 화학 반응을 통해 만들어집니다. 과학자들은 수년 동안 보다 지속 가능하고 저렴한 대체 물질을 찾아 왔으며, 산업 기계, 절단 도구 및 끌에 일반적으로 사용되는 지구에 풍부한 금속인 텅스텐 카바이드가 유망한 후보입니다.

그러나 텅스텐 카바이드는 그 용도가 제한되는 특성을 가지고 있습니다. 로체스터 대학교 화학 및 지속 가능성 공학부 부교수인 마크 포로소프(Marc Porosoff)와 그의 동료들은 최근 화학 반응에서 텅스텐 카바이드를 백금보다 더 실용적인 대안으로 만들기 위한 몇 가지 주요 발전을 이루었습니다.

화학 공학 박사 Sinhara Perera 포로소프 연구실의 한 학생은 텅스텐 카바이드를 귀중한 제품 생산에 어려운 촉매로 만드는 이유 중 하나는 원자가 상이라고 알려진 다양한 구성으로 배열될 수 있다는 점이라고 말했습니다.

Perera는 “이러한 화학 반응이 일어나는 챔버 내부의 촉매 표면을 측정하는 것이 정말 어렵기 때문에 텅스텐 카바이드의 표면 구조에 대한 명확한 이해가 없습니다.”라고 말했습니다.

ACS Catalytic에 발표된 연구에서 , Porosoff, Perera 및 화학 공학 학부생 Eva Ciuffetelli '27은 온도가 700°C 이상에 도달할 수 있는 용기인 화학 반응기 내 나노 수준에서 텅스텐 카바이드 입자를 매우 조심스럽게 조작하여 이 문제를 극복했습니다. 그들은 온도 프로그래밍 침탄이라는 공정을 사용하여 반응기 내부에서 원하는 단계의 텅스텐 카바이드 촉매를 생성하고 반응을 실행한 다음 어떤 버전이 가장 성능이 좋은지 연구했습니다.

여기 독점 기술 요약이 있습니다. Porosoff와의 인터뷰(길이와 명확성을 위해 편집됨).

열이 발생함:발열 반응을 겪고 있는 입자(빨간색)에서 흡열 반응을 겪고 있는 입자(파란색)로 열이 전달됩니다. 열 탐침은 적외선으로 입자를 자극하고 입자는 녹색 빛을 방출하여 연구자들이 이전에 달성할 수 있었던 것보다 더 정확한 형태의 촉매 표면 온도 측정을 제공합니다. (이미지 :Sinhara M. H. D. Perera의 일러스트레이션)

기술 요약 :온도 프로그래밍 침탄을 수행하면서 직면했던 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었습니까?

포로소프 :몇 가지 문제가 있었습니다. 그들은 몇 가지 다른 것들과 관련이 있습니다. 첫 번째는 우리가 목표로 삼고 있던 텅스텐 카바이드의 상이 준안정상이라는 것입니다. 이 육각형 상보다 열역학적으로 덜 안정적입니다. 그래서 우리는 사방정계 베타 W2C를 목표로 삼고 싶었지만 열역학은 델타 WC를 선호합니다. 그게 하나의 과제입니다.

다음 과제는 이러한 물질이 매우 자연발화성이기 때문에 공기에 노출되면 연소된다는 점이었습니다. 따라서 요구 사항은 재료를 만들거나 반응기로 옮긴 후 어떤 종류의 특성화를 수행하려면 부동태화를 수행해야 한다는 것입니다. 즉, 낮은 농도의 산소로 제어된 산화를 수행한다는 의미입니다. 이는 재료 표면에 보호 산화물 층을 형성합니다.

문제는 일단 보호 산화물 층을 형성하면 재료가 다시는 동일하지 않다는 것입니다. 촉매제는 영원히 다릅니다. 부동태화된 물질에 대한 특성화 또는 반응기 연구를 시도할 때 우리가 측정하는 것은 해당 물질의 실제 특성을 반영하지 않습니다. 이러한 문제를 완화하기 위해 우리는 현장을 수행하는 새로운 프로토콜을 고안해야 했습니다. 탄화는 CO2 전환 연구를 수행한 반응기에서 물질을 만든 다음 공기에 노출되지 않고 즉시 반응을 시작했음을 의미합니다.

기술 요약 :온도 프로그램 침탄이 무엇인지 간단하게 설명해주실 수 있나요?

포로소프 :온도 프로그래밍 침탄은 사전 촉매인 산화텅스텐으로 시작한다는 의미입니다. 그런 다음 탄화텅스텐을 만들기 위해 침탄 가스에서 산화텅스텐을 열처리해야 합니다. 이 공정에는 온도 상승 하에서 수소와 함께 기체 탄소 전구체(이 경우 메탄)가 흐르는 과정이 포함됩니다. 따라서 이러한 가스가 흐르는 동안 온도가 증가하고 특정 프로그램을 따릅니다. 간단히 말해서, 산화텅스텐을 탄화텅스텐으로 변환하기 위해 온도를 변화시키고 증가시키는 동안 메탄과 수소를 흐르게 한다는 의미입니다.

기술 요약 :텅스텐 카바이드는 수소화분해에 어떻게 도움이 됩니까? 그리고 수소화분해가 무엇인지 설명해주실 수 있나요?

포로소프 :수소화분해는 수소를 사용하여 탄소-탄소 결합을 끊는 일련의 반응입니다. 이것이 중요한 이유는 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 플라스틱이 탄소-탄소 결합의 매우 긴 사슬로 구성되어 있기 때문입니다. 따라서 물병, 폐플라스틱과 같은 대형 플라스틱을 재사용하거나 재활용하려면 이러한 결합을 효율적으로 끊을 수 있어야 합니다. 그리고 이러한 결합을 끊으려면 두 가지 기능이 필요합니다. 산성 기능이 필요하고, 금속 기능이 필요합니다.

텅스텐 카바이드 부분에는 금속 기능이 있습니다. 그리고 표면에는 산성 기능을 수행할 수 있는 산화 텅스텐 그룹도 있습니다. 따라서 이 두 가지 기능은 탄화물 촉매 내에 존재합니다.

기술 요약 :앞으로의 계획은 무엇인가요?

포로소프 :에너지 효율을 높이기 위해 다양한 반응에 대한 탄화물 촉매의 잠재력을 지속적으로 조사하고 있습니다.