텅스텐 카바이드 개선: 현대 응용을 위한 유망한 대안

Andrew Corselli

텅스텐 슬립: 운동론적 제어(표면 등고선로 묘사) 하에서 카버라이제이션 진화(구체로 묘사). 분자 빔은 합성 조건 하 기체 진화를 나타내며 불타는 구체는 추가 분자 빔이 상단에 있어 촉매 성능을 예시하는 순수 텅스텐 반탄화물 상 형성을 강조합니다. (이미지: Sinhara M. H. D. Perera 일러스트레이션)

플라스틱부터 세제까지 중요한 일상 제품들은 대부분 백금 같은 귀금속을 촉매로 사용하는 화학 반응으로 만들어집니다. 과학자들은 수년간 더 지속 가능하고 저렴한 대체재를 찾아왔습니다. 산업 기계, 절단 공구, 끌에 흔히 사용되는 풍부한 금속인 텅스텐 카바이드가 유망한 후보입니다.

하지만 텅스텐 카바이드는 응용을 제한하는 특성을 가집니다. 로체스터 대학교 화학지속가능공학과 Marc Porosoff 부교수와 협력자들이 최근 텅스텐 카바이드를 화학 반응에서 백금의 더 실행 가능한 대안으로 만들기 위한 몇 가지 핵심 발전을 달성했습니다.

Porosoff 연구실 화학공학 박사과정 Sinhara Perera는 텅스텐 카바이드가 가치 있는 제품 생산을 위한 어려운 촉매인 이유 중 하나가 원자들이 여러 다른 구성(위상)으로 배열될 수 있기 때문이라고 말했습니다.

"화학 반응이 일어나는 챔버 안에서 촉매 표면을 측정하는 게 정말 어렵기 때문에 텅스텐 카바이드 표면 구조에 대한 명확한 이해가 없었습니다."라고 Perera는 말합니다.

ACS Catalysis에 게재된 연구에서 Porosoff, Perera, 화학공학 학부생 Eva Ciuffetelli '27은 화학 반응기 내에서 나노스케일 수준으로 텅스텐 카바이드 입자를 매우 조심스럽게 조작해 이 문제를 극복했습니다. 온도가 700°C 이상에 도달할 수 있는 용기에서 온도 프로그램 카버라이제이션이라 불리는 공정을 사용해 반응기 내부에서 원하는 위상의 텅스텐 카바이드 촉매를 생성하고, 반응을 실행한 후 어떤 버전이 가장 잘 수행했는지 연구했습니다.

여기 Porosoff와의 독점 Tech Briefs 인터뷰가 있습니다(길이와 명확성을 위해 편집됨).

열이 켜진다: 발열 반응을 겪는 입자(빨강)에서 흡열 반응을 겪는 입자(파랑)로 열전달. 열적 프로브가 적외선로 입자를 여기시키고 입자가 녹색 빛을 방출해 연구자들이 이전에 달성할 수 없었던 것보다 촉매 표면 온도 측정을 더 정확하게 합니다. (이미지: Sinhara M. H. D. Perera 일러스트레이션)

Tech Briefs: 온도 프로그램 카버라이제이션 수행 중 직면한 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었나요?

Porosoff: 몇 가지 이슈가 있었고, 몇 가지 다른 것과 관련됩니다. 첫째는 우리가 표적으로 삼은 텅스텐 카바이드 위상이 준안정 위상이라는 것입니다. 이 육각 위상보다 열역학적으로 덜 안정적입니다. 우리는 오르토롬빅 베타 W2C를 표적으로 삼고 싶었지만 열역학은 델타 WC를 선호합니다. 그게 한 가지 과제입니다.

다음 과제는 이 물질들이 매우 자연발화성이라 공기에 노출되면 연소한다는 것입니다. 그래서 우리가 소재를 만든 후 특성화를 하거나 반응기로 옮기려면 패시베이션을 해야 합니다. 저농도 산소로 제어된 산화를 하는 건데 보호 산화층을 소재 표면에 형성시킵니다.

문제는 일단 그 보호 산화층이 형성되면 소재는 다시는 똑같지 않다는 것입니다. 촉매는 영원히 다릅니다. 우리가 그 패시베이트된 소재로 특성화나 반응기 연구를 하려 하면 측정하는 것들이 그 소재의 진정한 본질을 반영하지 않습니다. 그 과제를 완화하기 위해 우리는 인시추 카버라이제이션 새 프로토콜을 고안해야 했습니다. 반응기에서 소재를 만들고 공기 노출 없이 즉시 반응을 시작했습니다.

Tech Briefs: 간단히 온도 프로그램 카버라이제이션이 무엇인지 설명해 주실 수 있나요?

Porosoff: 온도 프로그램 카버라이제이션은 전구체인 텅스텐 산화물로 시작합니다. 그러면 카버라이제이션 가스에서 텅스텐 산화물을 열처리해 텅스텐 카바이드를 만들어야 합니다. 이 공정은 기체 탄소 전구체(이 경우 메탄)를 수소와 함께 온도 램프 하에서 흐르게 하는 것을 포함합니다. 온도가 증가하며 특정 프로그램을 따르는 동안 이 가스들이 흐릅니다. 요약하면 메탄과 수소를 흐르게 하면서 온도를 변화시키고 증가시켜 텅스텐 산화물을 텅스텐 카바이드로 변환합니다.

Tech Briefs: 텅스텐 카바이드가 하이드로크래킹에 어떻게 도움이 되나요? 하이드로크래킹이 무엇인지 설명해 주실 수 있나요?

Porosoff: 하이드로크래킹은 수소를 사용해 탄소-탄소 결합을 끊는 일련의 반응입니다. 이게 중요한 이유는 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 같은 플라스틱이 이 매우 긴 탄소-탄소 결합 사슬로 구성되기 때문입니다. 그래서 물병, 폐플라스틱 같은 큰 플라스틱을 재사용하거나 재활용하려면 그 결합을 효율적으로 끊을 수 있어야 합니다. 그리고 그 결합을 끊으려면 두 가지 기능이 필요합니다. 산 기능과 금속 기능이 필요합니다.

텅스텐 카바이드 부분이 금속 기능을 가집니다. 그리고 표면에 텅스텐 산화물 그룹들도 있어 산 기능을 수행할 수 있습니다. 그래서 이 두 기능이 이 카바이드 촉매 내에 모두 존재합니다.

Tech Briefs: 향후 계획은 무엇인가요?

Porosoff: 우리는 카바이드 촉매의 다양한 반응 잠재력을 계속 조사해 에너지 효율을 높이고 있습니다.