Meningkatkan Tungsten Carbide:Alternatif Menjanjikan untuk Aplikasi Modern

Andrew Corselli

Slip tungsten:Evolusi karburisasi (digambarkan oleh bola) di bawah kendali kinetik (diilustrasikan oleh kontur permukaan). Sinar molekul mewakili evolusi gas dalam kondisi sintesis sedangkan bola api menyoroti pembentukan fase semi-karbida tungsten murni dengan sinar molekul tambahan di bagian atas untuk menggambarkan kinerja katalitiknya. (Gambar:Ilustrasi oleh Sinhara M.H.D. Perera)

Produk penting sehari-hari — mulai dari plastik hingga deterjen — dibuat melalui reaksi kimia yang sebagian besar menggunakan logam mulia seperti platinum sebagai katalis. Para ilmuwan telah mencari bahan pengganti yang lebih ramah lingkungan dan berbiaya rendah selama bertahun-tahun, dan tungsten karbida — logam yang melimpah di bumi yang biasa digunakan untuk mesin industri, alat pemotong, dan pahat — adalah kandidat yang menjanjikan.

Namun tungsten karbida memiliki sifat yang membatasi penerapannya. Marc Porosoff, Associate Professor, University of Rochester, Department of Chemical and Sustainability Engineering, dan kolaboratornya baru-baru ini mencapai beberapa kemajuan penting untuk menjadikan tungsten carbide sebagai alternatif yang lebih layak untuk platinum dalam reaksi kimia.

Sinhara Perera, seorang Ph.D. teknik kimia. mahasiswa di laboratorium Porosoff, mengatakan bahwa salah satu penyebab tungsten karbida menjadi katalis yang sulit untuk menghasilkan produk berharga adalah atom-atomnya dapat disusun dalam berbagai konfigurasi berbeda — yang dikenal sebagai fase.

“Belum ada pemahaman yang jelas tentang struktur permukaan tungsten karbida karena sangat sulit mengukur permukaan katalitik di dalam ruang tempat reaksi kimia berlangsung,” kata Perera.

Dalam penelitian yang dipublikasikan di ACS Catalysis , Porosoff, Perera, dan mahasiswa sarjana teknik kimia Eva Ciuffetelli '27 mengatasi masalah ini dengan secara hati-hati memanipulasi partikel tungsten karbida pada tingkat skala nano di dalam reaktor kimia — sebuah wadah yang suhunya dapat mencapai di atas 700 °C. Dengan menggunakan proses yang disebut karburisasi terprogram suhu, mereka menciptakan katalis tungsten karbida dalam fase yang diinginkan di dalam reaktor, menjalankan reaksi, dan kemudian mempelajari versi mana yang memiliki kinerja terbaik.

Berikut adalah Ringkasan Teknologi eksklusif wawancara, diedit agar panjang dan jelas, dengan Porosoff.

Panas menyala:Panas berpindah dari partikel yang mengalami reaksi eksotermik (merah) ke partikel yang mengalami reaksi endoterm (biru). Sebuah probe termal menggairahkan sebuah partikel dengan cahaya inframerah, dan partikel tersebut memancarkan cahaya hijau, memberikan bentuk pengukuran suhu yang lebih akurat untuk permukaan katalis daripada yang dapat dicapai oleh para peneliti sebelumnya. (Gambar:Ilustrasi oleh Sinhara M.H.D. Perera)

Ringkasan Teknologi :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat melakukan karburisasi terprogram suhu?

Porosoff :Ada beberapa masalah; mereka berhubungan dengan beberapa hal yang berbeda. Yang pertama adalah fase tungsten karbida yang kami targetkan merupakan fase metastabil. Ini kurang stabil secara termodinamika dibandingkan fase heksagonal ini. Jadi, kami ingin menargetkan W2C beta ortorombik, tetapi termodinamika lebih menyukai WC delta. Itu salah satu tantangannya.

Tantangan berikutnya adalah bahan-bahan ini sangat piroforik, yang berarti bahan-bahan tersebut akan terbakar ketika terkena udara. Jadi, syaratnya adalah kita — jika ingin melakukan karakterisasi apa pun setelah kita membuat material atau memindahkannya ke dalam reaktor — harus melakukan pasivasi, artinya kita melakukan oksidasi terkontrol dengan konsentrasi oksigen rendah. Hal ini membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaan material.

Dan masalahnya adalah, begitu Anda membentuk lapisan oksida pelindung tersebut, materialnya tidak akan pernah sama lagi. Katalisnya selalu berbeda. Ketika kami mencoba melakukan karakterisasi atau studi reaktor pada bahan yang dipasifkan tersebut, hal-hal yang kami ukur tidak mencerminkan sifat sebenarnya dari bahan tersebut. Untuk mengatasi tantangan tersebut, kami harus membuat protokol baru yang dapat dilakukan di tempat karbonisasi, artinya kami membuat bahan di dalam reaktor tempat kami melakukan studi konversi CO2, lalu segera memulai reaksi tanpa paparan udara apa pun.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda menjelaskan secara sederhana apa itu program suhu karburisasi?

Porosoff :Karburisasi terprogram suhu berarti kita memulai dengan oksida tungsten pra-katalis. Kemudian kita harus mengolah oksida tungsten secara termal dalam gas karburisasi untuk membuat tungsten karbida. Prosesnya melibatkan aliran prekursor gas karbon, yang dalam hal ini adalah metana, bersama dengan hidrogen di bawah peningkatan suhu. Jadi, suhu meningkat dan mengikuti program tertentu saat gas-gas ini mengalir. Singkatnya, ini berarti kita mengalirkan metana dan hidrogen sambil mengubah dan meningkatkan suhu untuk mengubah tungsten oksida menjadi tungsten karbida.

Ringkasan Teknologi :Bagaimana tungsten carbide dapat membantu mengatasi hydrocracking? Dan bisa dijelaskan apa itu hydrocracking?

Porosoff :Hydrocracking adalah serangkaian reaksi yang menggunakan hidrogen untuk memutus ikatan karbon-karbon. Alasan mengapa hal ini penting adalah karena plastik seperti poliolefin, polietilen, polipropilen terdiri dari rantai ikatan karbon-karbon yang sangat panjang. Jadi, jika kita ingin mengambil plastik berukuran besar ini – seperti botol air, sampah plastik – dan kemudian menggunakan kembali atau mendaur ulangnya, kita harus mampu memutus ikatan tersebut secara efisien. Dan untuk memutuskan ikatan tersebut, Anda memerlukan dua fungsi. Anda memerlukan fungsi asam, dan Anda memerlukan fungsi logam.

Bagian tungsten karbida memiliki fungsi logam. Dan ada juga gugus oksida yang ada di permukaan – oksida tungsten – yang dapat berfungsi sebagai asam. Jadi, kedua fungsi tersebut terdapat dalam katalis karbida ini.

Ringkasan Teknologi :Apa rencana masa depan Anda?

Porosoff :Kami terus menyelidiki potensi katalis karbida untuk berbagai reaksi guna meningkatkan efisiensi energi.