新型催化剂让塑料升级回收效率提升10倍

尽管碳化钨具有催化潜力，但作为催化剂使用并不容易。其化学行为难以预测，这限制了它的广泛应用。罗切斯特大学化学与可持续工程系副教授马克·波洛索夫领导的研究团队目前取得了重要进展，有望使碳化钨在关键化学反应中与铂竞争。

### 原子结构的重要性
波洛索夫实验室的化学工程博士生辛哈拉·佩雷拉表示，主要挑战之一在于碳化钨原子的排列方式。佩雷拉称，碳化钨原子可以形成多种不同的构型（即物相），这些物相能极大影响该材料的催化性能。

“由于很难测量化学反应发生的反应室内催化表面的情况，人们对碳化钨的表面结构一直缺乏清晰认识。”她说道。

为解决这一问题，研究团队设计了一种在反应进行时精准控制碳化钨结构的方法。在发表于《ACS催化》的一项研究中，波洛索夫、佩雷拉以及化学工程本科生伊娃·丘费泰利（2027届）在温度超过700摄氏度的化学反应器内，对纳米级碳化钨颗粒进行了操控。

研究人员采用程序升温渗碳技术，在反应器内直接制备出特定物相的碳化钨催化剂，然后进行化学反应并分析哪些物相的催化性能最强。

波洛索夫表示：“有些物相热力学稳定性更高，因此催化剂本能地倾向于形成这些物相。但另一些热力学稳定性较低的物相作为催化剂反而更有效。”

团队特别发现一种名为β-W2C的物相，在将二氧化碳转化为燃料和有用化学品的关键基础原料的反应中表现出优异性能。研究人员认为，经过工业界的进一步优化，这种碳化钨有望达到铂的催化效果，且无需承担铂的高昂价格和供应限制。

### 将塑料废弃物转化为新材料
除了二氧化碳转化，波洛索夫及其合作者还探索将碳化钨用作塑料废弃物回收的催化剂。他们的研究重点是升级回收，即将废弃塑料转化为更高价值的产品，而非低等级材料。

在发表于《美国化学会志》的一项研究中，由北德克萨斯大学的陈林晓（音）领导，波洛索夫和罗切斯特大学助理教授悉达多·德什潘德提供支持，研究人员展示了碳化钨如何驱动一种名为加氢裂化的化学过程。

加氢裂化能将大分子分解为可重新用于制造新材料的小分子。在这项研究中，团队以聚丙烯为目标，聚丙烯常用于水瓶和许多其他塑料制品。

尽管加氢裂化在石油和天然气精炼中很常见，但将其应用于塑料废弃物却颇具挑战。一次性塑料中的长聚合物链极其稳定，废物流中的污染物会迅速使传统催化剂失活。铂基催化剂还依赖微孔结构，而微孔太小，大型塑料分子无法进入，从而限制了其效果。

波洛索夫说：“当碳化钨形成正确物相时，它具有金属性和酸性，有利于分解这些聚合物中的碳链。这些庞大的聚合物链能更容易地与碳化钨相互作用，因为它没有像典型铂基催化剂那样的微孔限制。”

结果令人瞩目。碳化钨不仅比铂催化剂便宜得多，其加氢裂化塑料废弃物的效率更是高出10倍以上。研究人员表示，这种方法可能为塑料回收和推进循环经济（材料可持续重复利用的经济模式）开辟新途径。

### 在关键处测量热量
这些进展的一个关键因素是能够精准测量催化剂表面的温度。化学反应要么吸热（吸热反应），要么放热（放热反应），温度管理对效率至关重要。许多工业过程依赖多个反应同时进行，这使得精确控温更为重要。

现有的温度测量方法只能提供大致的平均值，可能掩盖催化剂表面的关键温度差异。这种精度缺失使得难以充分理解和重现催化行为。

为解决这一问题，研究团队采用了机械工程系客座教授安德里亚·皮克尔实验室开发的光学测量技术。在发表于《EES催化》的一项研究中，他们描述了一种直接测量化学反应器内部温度的新方法。

波洛索夫说：“我们从这项研究中了解到，根据化学反应类型的不同，用这些整体读数测量的温度可能与实际相差10到100摄氏度。在催化研究中，这是一个非常显著的差异，因为研究需要确保测量的可重复性以及多个反应的耦合。”

利用这项技术，团队研究了串联催化剂系统，其中一个反应释放的热量驱动另一个需要热量输入的反应。更好地匹配这些反应可以减少能量浪费，提高整体效率。

波洛索夫表示，这种方法可能会更广泛地影响催化研究的开展，推动整个领域进行更精确的测量、增强可重复性并获得更可靠的结果。

### 资助与支持
《ACS催化》的研究得到了斯隆基金会和能源部的支持。《美国化学会志》的研究获得了美国国家科学基金会的资助。《EES催化》的研究由纽约州能源研究与发展局通过碳技术发展计划提供资金支持。