Учёные совершили значительный прорыв, разработав новый катализатор на основе карбида вольфрама, который делает переработку пластиковых отходов в десять раз эффективнее, чем традиционные методы с использованием дорогой платины. Этот материал, широко применяемый в промышленности для изготовления режущего и бурового инструмента, износостойких деталей в машиностроении, бронебойных сердечков и штампов благодаря своей исключительной твёрдости, может стать ключом к созданию более устойчивой и экономичной системы переработки, превращая не только пластик, но и углекислый газ в ценные химические продукты.
Долгое время карбид вольфрама не рассматривался как серьёзная альтернатива драгоценным металлам в катализе из-за его непредсказуемого химического поведения. Исследовательская группа под руководством Марка Порософфа из Университета Рочестера нашла решение этой проблемы. Главная сложность, как объясняет аспирант Синхара Перера, заключалась в том, что атомы материала могут формировать различные структурные фазы, каждая из которых по-разному влияет на каталитическую активность.
Чтобы преодолеть это препятствие, команда разработала метод точного контроля структуры карбида вольфрама непосредственно в ходе химических реакций при высоких температурах. В исследовании, опубликованном в журнале ACS Catalysis, учёные смогли манипулировать наночастицами материала внутри реактора. В результате им удалось не только создать катализатор с заданными свойствами, но и идентифицировать конкретную фазу, β-W2C, которая показала исключительную эффективность в преобразовании CO2 в полезные химические вещества, потенциально сравнившись с платиной.
Особенно перспективно применение этого катализатора для так называемого апсайклинга пластика — процесса, превращающего отходы в продукты с более высокой стоимостью. В работе, вышедшей в Journal of the American Chemical Society, исследователи продемонстрировали, как карбид вольфрама запускает реакцию гидрокрекинга, разбивая длинные полимерные цепи, например, в полипропилене из бутылок, на более мелкие и полезные молекулы. Этот процесс является ключевым элементом циклической экономики — модели, направленной на максимально длительное использование ресурсов, минимизацию отходов и восстановление материалов через переработку.
Ключевое преимущество нового материала перед платиной заключается в его структуре. Платиновые катализаторы часто имеют микропоры, слишком маленькие для крупных пластиковых молекул. Карбид вольфрама, будучи изготовленным в правильной фазе, обладает металлическими и кислотными свойствами, идеально подходящими для разрыва углеродных связей, и не имеет таких ограничений. В итоге он не только значительно дешевле, но и демонстрирует более чем десятикратное превосходство в эффективности гидрокрекинга.
Для обеспечения точности и воспроизводимости своих экспериментов команда также внедрила инновационный оптический метод измерения температуры непосредственно на поверхности катализатора. Как отмечает Порософф, традиционные методы дают лишь усреднённые показатели, которые могут отличаться от реальной температуры на 10–100 градусов Цельсия, что критично для каталитических исследований. Эта методика, описанная в EES Catalysis, позволит получать более надёжные данные и ускорит разработку новых эффективных катализаторов для перехода к циклической экономике, где переработка пластика сокращает потребность в первичном сырье и уменьшает загрязнение окружающей среды.
Источник: New catalyst makes plastic upcycling 10x more efficient than platinum