L’uso dei gas serra è una delle direzioni più popolari della tendenza globale verso la decarbonizzazione, ovvero la riduzione dell’impronta di carbonio derivante dalla produzione e dalle attività umane. Nel processo di conversione dell'anidride carbonica in metano, i principali catalizzatori utilizzati oggi sono oro, platino e palladio, che sono costosi e complessi.
Un gruppo di ricerca di Skoltech, Istituto di Catalisi Boreskov (filiale siberiana dell'Accademia Russa delle Scienze) e Università Politecnica di Tomsk ha condotto un esperimento e ha dimostrato che un nuovo fotocatalizzatore basato su WB5-x -WB2 boruro di tungsteno e TiO2 il biossido di titanio può competere con i metalli nobili. Aumenta significativamente l'efficienza delle reazioni chimiche ed è molto più economico dei catalizzatori utilizzati oggi.
I risultati sono presentati in un nuovo studio nella Scienza applicata delle superfici diario.
WB5-x , pentaboride di tungsteno, è stato precedentemente sintetizzato come alternativa più economica per le frese diamantate utilizzate sulle attrezzature di perforazione nell'industria del petrolio e del gas.
I professori di Skoltech Alexander Kvashnin dell’Energy Transition Center e Artem R. Oganov, che dirige il Material Discovery Laboratory, e i loro colleghi hanno sfruttato un algoritmo automatico che prevedeva la stabilità di WB5, e poi hanno ottenuto campioni sinterizzando tungsteno e boro in un rapporto 1-a -7 a temperature fino a 1.500 gradi Celsius e pressioni fino a 7 gigapascal.
Il metodo per sintetizzare il pentaboride di tungsteno superduro è stato successivamente perfezionato in collaborazione con il Politecnico di Tomsk, rendendone la produzione più efficiente ed economica.
"Abbiamo identificato proprietà che ci hanno permesso di supporre che il pentaboride di tungsteno non solo è promettente per la produzione di petrolio, ma può anche diventare un buon catalizzatore. In passato conoscevamo solo la struttura cristallina, le informazioni sulla stabilità e le proprietà meccaniche del materiale.
"Ci siamo impegnati molto per prevedere l'adsorbimento e le proprietà catalitiche del pentaboride di tungsteno attraverso la modellazione computerizzata e calcolare le barriere di reazione. Poi ci siamo rivolti ai nostri colleghi, che hanno confermato i risultati sperimentalmente", ha affermato Aleksandra Radina, co-autrice dello studio. autore e un dottorato di ricerca. studente del programma di scienza dei materiali di Skoltech.
I ricercatori dell’Università Politecnica di Tomsk hanno sintetizzato una polvere di boruro di tungsteno superiore utilizzando una tecnologia precedentemente sviluppata, mentre i loro colleghi dell’Istituto di Catalisi Boreskov hanno utilizzato il materiale sintetizzato come cocatalizzatore per due reazioni:la conversione dell’anidride carbonica in metano e la produzione di idrogeno da una soluzione acquosa di etanolo.
Secondo i risultati, WB5-x -WB2 il boruro di tungsteno ha aumentato l'efficienza della prima reazione di un fattore di quattro e quella della seconda di un fattore di 23. Metodi di analisi strutturale come la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, la diffrazione di raggi X, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e altri hanno confermato il nuovo WB5-x -WB2 /TiO2 il catalizzatore è responsabile dell'aumento dell'efficienza della reazione. Gli studi che utilizzano queste tecniche analitiche sono stati condotti presso l'Istituto di catalisi Boreskov della filiale siberiana dell'Accademia delle scienze russa.
"I dati della simulazione hanno mostrato che il boruro di tungsteno superiore dovrebbe funzionare come materiale catalizzatore attivo per la produzione di idrogeno dall'etanolo, e i risultati sperimentali hanno confermato le nostre previsioni. Poiché il nostro materiale non è stato precedentemente considerato un catalizzatore, si pone la questione dello screening dei processi chimici , dove potrebbe rivelarsi un catalizzatore più efficace rispetto ai materiali tradizionali", ha affermato il professor Kvashnin dell'Energy Transition Center di Skoltech, il leader dello studio.
Come sottolineano gli autori, il nuovo fotocatalizzatore può essere efficace non solo nelle reazioni sopra considerate. Ancora più importante, la ricerca apre una nuova direzione per l'applicazione di materiali basati su boruri e carburi di metalli di transizione, compresi quelli ad alta entropia.
Attualmente, un team composto da tre organizzazioni sta esplorando attivamente l'uso di nuovi materiali in vari processi catalitici con applicazioni nella fotocatalisi, nella petrolchimica e così via.
Ulteriori informazioni: Anna Yu. Kurenkova et al, Fotocatalitico H2 generazione e CO2 riduzione del WB5-x cocatalizzatore di TiO2 catalizzatore, Scienza applicata delle superfici (2024). DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160095
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia Skolkovo
