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2026-01-22 17:47:00
炭化タングステンの特性を利用する新たに特定された方法により、プラチナなどの貴金属の実行可能な代替品が得られる可能性があります。
プラスチックから洗剤に至るまで、日常の重要な製品は、主にプラチナなどの貴金属を触媒として使用する化学反応によって作られています。科学者たちは、より持続可能で低コストの代替品を何年も探してきましたが、炭化タングステン（産業機械、切削工具、ノミなどに一般的に使用される地球上に豊富に存在する金属）が有望な候補です。
しかし、炭化タングステンにはその用途が制限される特性があります。 マーク・ポロソフ、ロチェスター大学の准教授 化学サステイナビリティ工学科と彼の共同研究者らは最近、炭化タングステンを化学反応においてプラチナに代わるより現実的な代替品にするためのいくつかの重要な進歩を達成しました。
最高の局面転換
ポロソフ研究室の化学工学博士課程の学生であるシンハラ・ペレラ氏は、タングステンカーバイドが貴重な製品を製造するための触媒として使用しにくい理由の一部は、その原子が相と呼ばれるさまざまな配置で配置できることであると述べています。
「これらの化学反応が起こるチャンバー内の触媒表面を測定するのは非常に難しいため、タングステンカーバイドの表面構造については明確に理解されていません」とペレラ氏は言います。
「一部の相は熱力学的に安定しているため、触媒は本質的に最終的に最終的にそこに到達したいと考えています」とポロソフ氏は言う。 「しかし、熱力学的に安定していない他の相は触媒としてより効果的です。」
研究者らは、二酸化炭素を有用な化学物質や燃料を作るための重要な前駆体に変える反応に特に有効に機能する 1 つの特定の相、β-W₂C を特定しました。業界によるさらなる微調整により、ポロソフ氏と彼のチームは、この段階のタングステンカーバイドは、高コストと限られた供給という欠点なしに、プラチナと同じくらい効果的になる可能性があると考えています。
プラスチックのアップサイクル
ポロソフと彼の同僚はまた、プラスチック廃棄物をアップサイクルし、古いプラスチックを高品質の新しい製品に変換するための触媒として炭化タングステンを研究しました。あ で勉強する アメリカ化学会誌、ノーステキサス大学のリンシャオ・チェン氏が主導し、ポロソフ氏とウロチェスター助教授が支援 シッダース・デシュパンデでは、炭化タングステンが水素化分解と呼ばれるプロセスにどのように使用できるかを示しました。
炭化タングステンは、水素化分解用の白金触媒よりもコストが低かっただけでなく、効率も 10 倍以上でした。
水素化分解では、水筒や他の多くのプラスチックの基礎となるポリプロピレンなどの大きな分子を、新製品に使用できる小さな分子に化学的に分解します。水素化分解は石油やガスの精製に使用されてきたが、ほとんどの使い捨てプラスチックを構成するポリマー鎖の安定性が高いことと、触媒を失活させる汚染物質の存在により、プラスチック廃棄物の処理に水素化分解を適用することは問題となっていた。現在触媒として使用されている白金などの貴金属は急速に失活し、使い捨てプラスチックには長いポリマー鎖が入る余地のない微孔質表面内に担持されています。
「炭化タングステンは、適切な相で作られると、これらのポリマーの炭素鎖を分解するのに適した金属的かつ酸性の特性を持ちます」とポロソフ氏は言います。 「これらの大きくてかさばるポリマー鎖は、一般的な白金ベースの触媒で制限を引き起こす微細孔がないため、炭化タングステンとはるかに簡単に相互作用できます。」
この研究では、炭化タングステンは水素化分解用の白金触媒よりもコストが低いだけでなく、効率が 10 倍以上であることが示されました。研究者らは、これにより触媒を改良し、プラスチック廃棄物を新しい素材に変え、循環経済を支援する刺激的な新たな道が開かれると述べている。
体温を測る
より効率的な触媒の作成におけるこうした進歩を支えているのは、触媒表面の温度を正確に測定できる機能です。化学反応は熱を吸収する (吸熱) か熱を放出する (発熱) ことがあり、触媒の表面温度を制御することで科学者は複数の反応を効率的に調整できます。しかし、触媒の温度を測定するために現在使用されている測定値は大まかな平均値を示しており、化学反応を効果的に研究するために必要な正確な条件を正確に測定するには十分なニュアンスが得られません。
熱が上がっています: 熱は、発熱反応 (赤) を起こしている粒子から吸熱反応 (青) を起こしている粒子に伝達されます。熱プローブが赤外光で粒子を励起すると、粒子は緑色の光を発し、研究者がこれまでに達成できたものよりも正確な触媒表面の温度測定が可能になります。 （イラスト：シンハラMHDペレラ）
の研究室で開発された光学測定技術を使用 アンドレア・ピッケルの客員教授。 機械工学科、研究者らは化学反応器内の温度を測定する新しい方法を考案しました。彼らはその新しい技術について次のように説明しました。 に発表された研究 EES触媒作用。
「この研究から、化学の種類に応じて、これらの一括読み取りで測定された温度は摂氏 10 ～ 100 度異なる可能性があることが分かりました」とポロソフ氏は言います。 「これは、測定が再現可能であり、複数の反応が結合できることを確認しようとする触媒研究において、非常に重要な違いです。」
研究チームは、発熱反応が吸熱反応を引き起こすのに十分な熱を提供するタンデム触媒の研究に新しい技術を適用しました。これらの反応を効果的に組み合わせることにより、廃熱を最小限に抑え、より効率的な化学工学プロセスを実現できます。
ポロソフ氏は、この技術は研究者が触媒研究を行う方法を変えるのにも役立ち、より慎重な測定、再現可能な研究、そして分野全体でより確かな発見につながる可能性があると述べている。
#持続可能な石油化学製品を生産するための低コストの代替触媒の開発