Des méthodes récemment identifiées pour exploiter les propriétés du carbure de tungstène pourraient fournir des substituts viables aux métaux précieux comme le platine.
Des produits quotidiens essentiels, des plastiques aux détergents, sont fabriqués par des réactions chimiques utilisant principalement des métaux précieux comme le platine comme catalyseurs. Les scientifiques recherchent depuis des années des substituts durables et à bas coût. Le carbure de tungstène, un métal abondant sur Terre couramment utilisé pour les machines industrielles, les outils de coupe et les burins, est un candidat prometteur.
Mais le carbure de tungstène présente des propriétés qui ont limité ses applications. Marc Porosoff , professeur associé au Département de génie chimique et de durabilité de l’Université de Rochester , et ses collaborateurs ont récemment réalisé plusieurs avancées clés pour faire du carbure de tungstène une alternative plus viable au platine dans les réactions chimiques.
Le meilleur tour de phase
Sinhara Perera, doctorant en génie chimique dans le laboratoire de Porosoff, explique qu’une partie de ce qui rend le carbure de tungstène un catalyseur difficile pour produire des produits de valeur est que ses atomes peuvent s’arranger selon de nombreuses configurations différentes, appelées phases.
« Il n’y a pas eu de compréhension claire de la structure de surface du carbure de tungstène car il est vraiment difficile de mesurer la surface catalytique à l’intérieur des chambres où ces réactions chimiques se produisent , affirme Perera.
Dans une étude publiée dans ACS Catalysis , Porosoff, Perera et l’étudiant de premier cycle en génie chimique Eva Ciuffetelli ’27 ont surmonté ce problème en manipulant très soigneusement les particules de carbure de tungstène à l’échelle nanométrique à l’intérieur du réacteur chimique, un récipient où les températures peuvent dépasser 700 degrés Celsius. En utilisant un procédé appelé carburation à température programmée, ils ont créé des catalyseurs de carbure de tungstène dans la phase souhaitée à l’intérieur du réacteur, ont fait fonctionner la réaction, puis ont étudié quelles versions performaient le mieux.
« Certaines phases sont plus stables thermodynamiquement, c’est donc là que le catalyseur veut naturellement aboutir , explique Porosoff. Mais d’autres phases, moins stables thermodynamiquement, sont plus efficaces comme catalyseurs.
Les chercheurs ont identifié une phase particulière, β-W₂C, qui fonctionne particulièrement bien pour une réaction transformant le dioxyde de carbone en précurseurs importants pour la fabrication de produits chimiques et de carburants utiles. Avec un réglage plus fin par l’industrie, Porosoff et son équipe pensent que cette phase de carbure de tungstène pourrait être aussi efficace que le platine sans les inconvénients du coût élevé et de l’approvisionnement limité.
Surcyclage des plastiques
Porosoff et ses collègues ont également exploré le carbure de tungstène comme catalyseur pour le surcyclage des déchets plastiques et la conversion des vieux plastiques en produits neufs de haute qualité. Une étude dans le Journal of the American Chemical Society , dirigée par Linxao Chen de l’Université de North Texas, et soutenue par Porosoff et le professeur assistant de l’URochester Siddharth Deshpande , a montré comment le carbure de tungstène peut être utilisé pour un procédé appelé hydrocraquage.
Non seulement le carbure de tungstène était moins coûteux que les catalyseurs au platine pour l’hydrocraquage, mais il était aussi plus de 10 fois plus efficace.
L’hydrocraquage consiste à prendre de grosses molécules comme le polypropylène, la base des bouteilles d’eau et de nombreuses autres formes de plastique, et à les décomposer chimiquement en molécules plus petites pouvant être utilisées pour de nouveaux produits. Bien que l’hydrocraquage soit utilisé dans le raffinage du pétrole et du gaz, son application au traitement des déchets plastiques a été problématique en raison de la haute stabilité des chaînes polymères qui composent la plupart des plastiques à usage unique, et de la présence de contaminants qui désactivent les catalyseurs. Les métaux précieux, comme le platine, actuellement utilisés comme catalyseurs, se désactivent rapidement et sont supportés sur des surfaces microporeuses qui n’ont pas la place pour les longues chaînes polymères des plastiques à usage unique.
« Le carbure de tungstène, lorsqu’il est fabriqué dans la phase correcte, a des propriétés métalliques et acides qui sont bonnes pour rompre les chaînes carbonées de ces polymères , indique Porosoff. Ces grosses chaînes polymères volumineuses peuvent interagir avec le carbure de tungstène beaucoup plus facilement car il n’a pas de micropores qui causent des limitations avec les catalyseurs typiques à base de platine.
L’étude a montré que non seulement le carbure de tungstène était moins coûteux que les catalyseurs au platine pour l’hydrocraquage, mais qu’il était plus de 10 fois plus efficace. Les chercheurs affirment que cela ouvre de nouvelles voies passionnantes pour améliorer les catalyseurs et transformer les déchets plastiques en nouveaux matériaux, soutenant ainsi une économie circulaire.
Prendre la température
Sous-tendant ces avancées dans la création de catalyseurs plus efficaces se trouve la capacité de mesurer avec précision les températures sur les surfaces des catalyseurs. Les réactions chimiques peuvent soit absorber de la chaleur (endothermiques) soit en libérer (exothermiques), et contrôler la température de surface du catalyseur permet aux scientifiques de coordonner efficacement plusieurs réactions. Mais les mesures actuellement utilisées pour prendre la température des catalyseurs fournissent des moyennes approximatives qui ne donnent pas assez de nuances pour mesurer avec précision les conditions nécessaires à l’étude efficace des réactions chimiques.
En utilisant des techniques de mesure optique développées dans le laboratoire d’ Andrea Pickel , professeure invitée au Département de génie mécanique , les chercheurs ont conçu une nouvelle méthode pour mesurer la température à l’intérieur des réacteurs chimiques. Ils ont décrit cette nouvelle technique dans une étude publiée dans EES Catalysis .
« Nous avons appris de cette étude que selon le type de chimie, la température mesurée avec ces lectures globales peut être erronée de 10 à 100 degrés Celsius , souligne Porosoff. C’est une différence vraiment significative dans les études catalytiques où vous essayez de vous assurer que les mesures sont reproductibles et que plusieurs réactions peuvent être couplées.
L’équipe a appliqué sa nouvelle technique pour étudier les catalyseurs tandem, où une réaction exothermique fournit suffisamment de chaleur pour déclencher une réaction endothermique. Apparier efficacement ces réactions peut minimiser la chaleur résiduelle et conduire à des procédés de génie chimique plus efficaces.
Porosoff affirme que cette technique pourrait également changer la façon dont les chercheurs mènent les études de catalyse, conduisant à des mesures plus soigneuses, un travail reproductible et des résultats plus robustes dans l’ensemble du domaine.
Source : Rochester U.
