I ricercatori Skoltech ei loro colleghi del Politecnico di Tomsk hanno proposto un modo efficiente ed economico per sintetizzare il boruro di tungsteno superduro, utilizzato nella perforazione e in altre tecnologie industriali. La ricerca che descrive la nuova tecnica è stata pubblicata sulla rivista Inorganic Chemistry ed è apparso sulla copertina del numero di maggio.

Quando sono stati scoperti, i boruri di tungsteno hanno catturato l'immaginazione degli scienziati grazie alla loro durezza, resistenza termica, bassa conduttività termica e altre affascinanti proprietà meccaniche superiori a quelle di altri materiali che erano rimasti senza rivali per quasi un secolo. Tuttavia, i metodi esistenti di sintesi del boruro di tungsteno richiedono un vuoto o un'atmosfera inerte ad alta pressione. Ciò aumenta i costi di produzione e limita la scalabilità e il volume di produzione.

"Stavamo cercando un approccio efficiente alla sintesi su larga scala di WB5–x, una particolare varietà di boruro di tungsteno che ha una resistenza all'usura estremamente elevata", afferma il ricercatore principale dello studio, il professore assistente Alexander Kvashnin del Project Center for Energy Transition di Skoltech ed ESG. "Ci è voluto molto tempo ed energia e l'identificazione delle fasi distinte nei campioni sintetizzati si è rivelata una sfida. Ma i metodi computazionali sono venuti in soccorso e, dopo aver studiato a fondo le condizioni di sintesi e la struttura del materiale ottenuto, abbiamo scoperto di essere riusciti a sintetizzare un campione a due fasi contenente WB2 e WB5–x."

L'autore principale dell'articolo, il ricercatore Alexander Pak dell'Ecoenergy 4.0 Research Center presso la Tomsk Polytechnic University, commenta:"Le fasi cristalline del boruro di tungsteno previste dai nostri colleghi Skoltech sono state ottenute con successo utilizzando la tecnica originale di sintesi del plasma ad arco atmosferico senza vuoto nell'arco DC reattore al plasma sviluppato presso la Tomsk Polytechnic University. Semplificando il metodo e la progettazione del reattore, siamo riusciti a eliminare una serie di costosi componenti high-tech. Rispetto agli analoghi immediati, stimiamo che il nostro metodo consumi fino al 90% in meno di energia, almeno quando sintetizzando materiale nelle quantità tipiche per esperimenti di laboratorio."

L'allestimento sperimentale appositamente costruito utilizzato nello studio consisteva in un catodo di grafite a forma di crogiolo e un anodo a forma di asta che poteva inserirsi all'interno, anch'esso in grafite. La miscela iniziale di tungsteno in polvere e boro è stata compattata e posta sul fondo del crogiolo. Quindi è stata avviata una scarica di arco elettrico tra l'anodo e il catodo in aria normale. Di conseguenza, l'ossigeno atmosferico ha reagito con il carbonio nella grafite, producendo un ambiente gassoso autonomo nel crogiolo. Quando l'arco elettrico ha fatto aumentare la temperatura, si è verificata la sintesi, producendo diversi boruri di tungsteno in una proporzione determinata dal rapporto dei materiali sorgente e dai parametri di trattamento del plasma. È importante sottolineare che l'intero processo non richiede un ambiente sottovuoto, rendendo il metodo applicabile alla produzione industriale su larga scala.

"Abbiamo anche migliorato il metodo per consentire la messa a punto dei parametri sperimentali per controllare la composizione del prodotto", aggiunge Kvashnin. "Ciò ha consentito di aumentare la proporzione della desiderabile fase WB5-x nel campione al 61,5% in volume."

La nuova tecnica senza vuoto è il primo passo verso la sintesi controllabile ed economica su larga scala di boruro di tungsteno superduro con proprietà meccaniche eccezionali per un'ampia gamma di applicazioni industriali. Secondo i ricercatori, il materiale sarà anche in grado di eliminare l'anidride carbonica dalle emissioni delle fabbriche e produrre idrogeno blu. Il vantaggio principale dell'utilizzo di WB5–x come catalizzatore in tale processo è la sua capacità di essere riutilizzato. + Esplora ulteriormente

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