Muchos productos comunes, incluidos los plásticos y los detergentes, dependen de reacciones químicas que dependen de catalizadores fabricados a partir de metales preciosos como el platino. Estos metales son eficaces pero caros y de suministro limitado. Durante años, los científicos han estado buscando alternativas más baratas y sostenibles. Una alternativa prometedora es el carburo de tungsteno, un material abundante en la tierra que ya se utiliza ampliamente en maquinaria industrial, herramientas de corte y cinceles.
A pesar de su potencial, el carburo de tungsteno no era fácil de utilizar como catalizador. Su comportamiento químico puede ser impredecible, lo que ha limitado su adopción generalizada. Investigadores dirigidos por Mark Poroshoff, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Sostenible de la Universidad de Rochester, han logrado importantes avances que podrían permitir que el carburo de tungsteno compita con el platino en reacciones químicas clave.
Por qué es importante la estructura atómica
Un desafío importante reside en cómo se organizan los átomos de carburo de tungsteno, según Sinhara Perera, estudiante de doctorado en ingeniería química en el laboratorio de Poroshoff.
Los átomos del carburo de tungsteno pueden formar diferentes configuraciones, conocidas como fases, dijo Perera. Estas fases pueden influir fuertemente en el funcionamiento del material como catalizador.
“No ha habido una comprensión clara de la estructura de la superficie del carburo de tungsteno porque es realmente difícil medir la superficie del catalizador dentro de la cámara donde tienen lugar estas reacciones químicas”, dice.
Para abordar esta cuestión, el equipo de investigación diseñó un método para controlar con precisión la formación de carburo de tungsteno durante la reacción de activación. En un estudio publicado por el Dr. catálisis SCAPorosoff, Perera y la estudiante graduada en ingeniería química Eva Cifetelli ’27 manipulan partículas de carburo de tungsteno a nanoescala dentro de un reactor químico que opera a temperaturas superiores a 700 grados Celsius.
Utilizando una técnica llamada carburación a temperatura programada, los investigadores crearon catalizadores de carburo de tungsteno en etapas específicas dentro del horno. Luego ejecutan reacciones químicas y analizan qué versiones ofrecen el mejor rendimiento.
“Algunas fases son más estables termodinámicamente, por lo que ahí es donde naturalmente quiere terminar el catalizador”, dice Porosoff. “Pero otras fases que son menos estables termodinámicamente son más eficaces como catalizadores”.
El equipo identificó una fase en particular, β-W2C, que mostró un rendimiento excepcional en reacciones que convierten el dióxido de carbono en componentes clave de combustibles y productos químicos útiles. Con una optimización adicional por parte de la industria, los investigadores creen que este tipo de carburo de tungsteno puede igualar el rendimiento del platino sin el alto costo ni las limitaciones de suministro.
Convertir residuos plásticos en nuevos materiales
Más allá de la conversión de dióxido de carbono, Poroshoff y sus colegas exploraron el carburo de tungsteno como catalizador para el reciclaje de residuos plásticos. Su trabajo se centra en el reciclaje, un proceso que transforma los plásticos desechados en productos de alto valor en lugar de materiales de baja calidad.
En un estudio publicado Revista de la Sociedad Química EstadounidenseDirigidos por Linxao Chen de la Universidad del Norte de Texas y apoyados por Porosoff y el profesor asistente Siddharth Deshpande de la Universidad de Rochester, los investigadores demostraron cómo el carburo de tungsteno puede llevar a cabo un proceso químico conocido como hidrocraqueo.
El hidrocraqueo descompone moléculas grandes en otras más pequeñas que pueden reutilizarse para fabricar nuevos materiales. En este caso, el equipo se centró en el polipropileno, que se utiliza en botellas de agua y muchos otros productos plásticos.
Aunque el hidrocraqueo es común en la refinación de petróleo y gas, su aplicación a los desechos plásticos ha resultado difícil. Las largas cadenas de polímeros en los plásticos de un solo uso son extremadamente estables y los contaminantes en el flujo de desechos pueden desactivar rápidamente los catalizadores tradicionales. Los catalizadores a base de platino también se basan en estructuras microporosas que son demasiado pequeñas para que penetren grandes moléculas de plástico, lo que limita su eficacia.
“El carburo de tungsteno, cuando se fabrica con la fase adecuada, tiene propiedades metálicas y ácidas que son buenas para romper las cadenas de carbono en estos polímeros”, dijo Porosoff. “Estas grandes cadenas de polímeros pueden interactuar muy fácilmente con el carburo de tungsteno porque no tienen los microporos que son limitantes con los típicos catalizadores basados en platino”.
Los resultados fueron interesantes. El carburo de tungsteno no sólo era mucho menos costoso que el catalizador de platino, sino que era más de 10 veces más eficaz en el hidrocraqueo de residuos plásticos. Los investigadores dicen que este enfoque podría abrir nuevas vías para el reciclaje de plástico y conducir a una economía circular en la que los materiales se reutilicen continuamente.
Medir el calor donde importa
Un factor clave detrás de este progreso es la capacidad de medir con precisión las temperaturas de la superficie del catalizador. Las reacciones químicas absorben calor (endotérmicas) o liberan calor (exotérmicas), y controlar la temperatura es importante para la eficiencia. Muchos procesos industriales dependen de múltiples reacciones que ocurren simultáneamente, lo que hace que el control preciso de la temperatura sea aún más importante.
Los métodos actuales de medición de temperatura sólo proporcionan promedios aproximados, que pueden ocultar variaciones críticas en la superficie del catalizador. Esta falta de precisión hace que el comportamiento catalítico sea difícil de comprender y reproducir completamente.
Para abordar este problema, el equipo de investigación adoptó técnicas de medición óptica desarrolladas en el laboratorio del profesor visitante Andrea Pickel en el Departamento de Ingeniería Mecánica. En un estudio publicado por el Dr. catálisis EESDescribieron un nuevo método para medir directamente la temperatura dentro de un reactor químico.
“Aprendimos de este estudio que dependiendo del tipo de química, la temperatura medida con estas lecturas masivas puede variar entre 10 y 100 grados Celsius”, dijo Porosoff. “Esa es una diferencia realmente significativa en la investigación de catálisis, donde se intenta asegurarse de que las mediciones sean reproducibles y que se puedan acoplar múltiples reacciones”.
Utilizando esta técnica, el equipo probó sistemas catalíticos en tándem en los que el calor liberado por una reacción impulsa otra reacción que requiere aporte de calor. Una mejor combinación de estas respuestas puede reducir el desperdicio de energía y mejorar la eficiencia general.
Porosoff dice que el método podría influir en la forma en que se lleva a cabo la investigación sobre catálisis de manera más amplia, fomentando mediciones más precisas, una mayor reproducibilidad y resultados más confiables en todo el campo.
Financiamiento y apoyo
El estudio de catálisis de ACS fue apoyado por la Fundación Sloan y el Departamento de Energía. La investigación del Journal of the American Chemical Society recibió financiación de la National Science Foundation. La investigación sobre la catálisis de EES fue financiada por la Autoridad de Investigación y Desarrollo Energético del Estado de Nueva York a través de la Iniciativa de Desarrollo CarbonTech.
