El uso de gases de efecto invernadero es una de las direcciones más populares de la tendencia global hacia la descarbonización:reducir la huella de carbono de la producción y las actividades humanas. En el proceso de conversión de dióxido de carbono en metano, los principales catalizadores utilizados hoy en día son el oro, el platino y el paladio, que son caros y complejos.
Un grupo de investigación de Skoltech, el Instituto de Catálisis Boreskov (rama siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia) y la Universidad Politécnica de Tomsk llevaron a cabo un experimento y demostraron que un nuevo fotocatalizador basado en WB5-x -WB2 Boruro de tungsteno y TiO2 El dióxido de titanio puede competir con los metales nobles. Aumenta significativamente la eficiencia de las reacciones químicas y es mucho más barato que los catalizadores utilizados hoy en día.
Los resultados se presentan en un nuevo estudio en Applied Surface Science. diario.
WB5-x , pentaboruro de tungsteno, se sintetizó anteriormente como una alternativa más barata a los cortadores de diamante utilizados en equipos de perforación en la industria del petróleo y el gas.
Los profesores de Skoltech Alexander Kvashnin del Centro de Transición Energética y Artem R. Oganov, quien dirige el Laboratorio de Descubrimiento de Materiales, y sus colegas aprovecharon un algoritmo de máquina que predijo la estabilidad de WB5 y luego obtuvieron muestras sinterizando tungsteno y boro en una escala de 1 a -7 a temperaturas de hasta 1.500 grados Celsius y presiones de hasta 7 gigapascales.
El método para sintetizar pentaboruro de tungsteno superduro se perfeccionó posteriormente en colaboración con la Universidad Politécnica de Tomsk, lo que hizo que su producción fuera más eficiente y económica.
"Hemos identificado propiedades que nos permitieron suponer que el pentaboruro de tungsteno no sólo es prometedor para la producción de petróleo, sino que también puede convertirse en un buen catalizador. Hasta ahora sólo conocíamos la estructura cristalina, la información sobre la estabilidad y las propiedades mecánicas del material.
"Hemos hecho un gran esfuerzo para predecir las propiedades catalíticas y de adsorción del pentaboruro de tungsteno mediante modelos informáticos y calcular las barreras de reacción. Luego recurrimos a nuestros colegas, quienes confirmaron los resultados experimentalmente", dijo Aleksandra Radina, coautora del estudio. autor y doctorado. estudiante del programa de Ciencia de Materiales de Skoltech.
Investigadores de la Universidad Politécnica de Tomsk sintetizaron un polvo de boruro de tungsteno superior utilizando una tecnología previamente desarrollada, mientras que sus colegas del Instituto de Catálisis Boreskov utilizaron el material sintetizado como cocatalizador para dos reacciones:convertir dióxido de carbono en metano y producir hidrógeno a partir de una solución acuosa de etanol.
Según los resultados, WB5-x -WB2 El boruro de tungsteno aumentó la eficiencia de la primera reacción en un factor de cuatro y la de la segunda en un factor de 23. Métodos de análisis estructural como microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, difracción de rayos X, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y otros. han confirmado el nuevo WB5-x -WB2 /TiO2 El catalizador es responsable del aumento de la eficiencia de la reacción. Los estudios que utilizaron estas técnicas analíticas se realizaron en el Instituto Boreskov de Catálisis de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia.
"Los datos de la simulación mostraron que el boruro de tungsteno superior debería funcionar como material catalizador activo para producir hidrógeno a partir de etanol, y los resultados experimentales confirmaron nuestras predicciones. Como nuestro material no ha sido considerado previamente como catalizador, surge la cuestión de la detección de procesos químicos , donde podría resultar un catalizador más eficaz en comparación con los materiales tradicionales", afirmó el profesor Kvashnin del Centro de Transición Energética de Skoltech, líder del estudio.
Como señalan los autores, el nuevo fotocatalizador puede ser eficaz no sólo en las reacciones consideradas anteriormente. Lo más importante es que la investigación abre una nueva dirección para la aplicación de materiales basados en boruros y carburos de metales de transición, incluidos los de alta entropía.
Actualmente, un equipo de tres organizaciones está explorando activamente el uso de nuevos materiales en diversos procesos catalíticos con aplicaciones en fotocatálisis, petroquímica, etc.
Más información: Ana Yu. Kurenkova et al, Fotocatalítico H2 generación y CO2 reducción por WB5-x cocatalizador de TiO2 catalizador, Ciencia de superficies aplicada (2024). DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160095
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
