Wolframcarbid rückt als Platinersatz in greifbare Nähe

Definierte Phasen, höhere Aktivität: Wolframcarbid erreicht in Studien bis zu zehnfache Effizienz gegenüber Platin und ermöglicht CO₂-Umwandlung sowie chemisches Recycling von Kunststoffen.

Wolframcarbid könnte künftig als kostengünstige Alternative zu Platin in chemischen Prozessen dienen. Ein Forschungsteam der University of Rochester hat mehrere technische Fortschritte erzielt, um das erdreichlich verfügbare Material gezielt als Katalysator einzusetzen – unter anderem für die Umwandlung von CO₂ sowie das Recycling von Kunststoffen.

Im Fachjournal ACS Catalysis berichten die Wissenschaftler, dass sie Wolframcarbid direkt im Reaktor in definierte Kristallphasen überführen konnten. Mithilfe einer temperaturprogrammierten Karburisierung wurden Nanopartikel bei Temperaturen von über 700 Grad Celsius präzise eingestellt und anschließend ihre katalytische Leistung untersucht.

Gezielte Phasensteuerung steigert Reaktivität

Wie die Forscher darlegen, besitzt Wolframcarbid verschiedene atomare Anordnungen, sogenannte Phasen, die sich stark in ihrer Aktivität unterscheiden. Besonders effektiv erwies sich die Phase β-W₂C bei einer Reaktion, die Kohlendioxid in Vorprodukte für Chemikalien und Kraftstoffe umwandelt. Laut dem Team ist diese Phase weniger thermodynamisch stabil, zeigt aber deutlich höhere katalytische Aktivität. Mit weiterer industrieller Optimierung könnte sie vergleichbare Leistungen wie Platin erreichen – ohne dessen Kosten- und Lieferkettenrisiken.

Parallel untersuchte das Team den Einsatz von Wolframcarbid beim chemischen Recycling von Kunststoffen. In einer Studie im Journal of the American Chemical Society, geleitet von der University of North Texas und unterstützt durch Forscher aus Rochester, kam das Material beim sogenannten Hydrocracking zum Einsatz. Dabei werden langkettige Polymere wie Polypropylen in kleinere Moleküle zerlegt, die wieder als Rohstoffe dienen können.

Zehnfach höhere Effizienz

Die Ergebnisse zeigen: Wolframcarbid war nicht nur günstiger als platinbasierte Katalysatoren, sondern erreichte auch eine mehr als zehnfach höhere Effizienz. Während Platin in solchen Prozessen schnell deaktiviert wird und in mikroporösen Strukturen vorliegt, die große Polymerketten behindern, besitzt Wolframcarbid – in der passenden Phase – metallische und saure Eigenschaften, die den Abbau der Kohlenstoffketten erleichtern.

Ein weiterer Baustein der Arbeiten ist eine neue optische Methode zur Temperaturmessung direkt an der Katalysatoroberfläche, beschrieben in EES Catalysis. Herkömmliche Messungen liefern meist nur Mittelwerte im Reaktor. Die neue Technik zeigte Abweichungen von bis zu 10 bis 100 Grad Celsius – ein kritischer Faktor für reproduzierbare katalytische Studien. Mit dem Ansatz untersuchten die Forscher auch Tandemreaktionen, bei denen exotherme Prozesse die Energie für endotherme Schritte liefern und so Abwärme reduzieren.

Die Arbeiten wurden unter anderem von der Sloan Foundation, dem US-Energieministerium, der National Science Foundation sowie der New York State Energy Research and Development Authority gefördert.