一种低成本工业金属刚刚证明，在塑料回收和推动更清洁的化学反应方面，其表现可胜过铂金。

人们日常使用的诸多产品，从塑料到洗涤剂，均依赖于由铂等贵金属制成的催化剂所驱动的化学反应。尽管铂的催化效果极佳，但其价格高昂且资源有限。多年来，科学家们一直在探寻既经济实惠又可持续的替代品。碳化钨便是极具潜力的一种，这种地球上储量丰富的材料已广泛应用于工业机械、切削工具及凿子等领域。

尽管碳化钨前景广阔，但将其应用于化学制造并非易事。过去，其独特性能限制了它的效用。如今，由罗切斯特大学化学与可持续工程系副教授马克·波罗索夫（Marc Porosoff）牵头开展的最新研究，已攻克了其中多项难题，让碳化钨有望成为铂的现实替代品。

为何原子排列至关重要

据波罗斯夫实验室里攻读化学工程博士学位的学生辛哈拉·佩雷拉所言，主要障碍之一在于碳化钨原子的排列方式。

她解释道，碳化钨之所以难以用作催化剂，部分原因在于其原子能够自行排列成多种不同的构型，即所谓的“相”。

佩雷拉表示：“由于在发生这些化学反应的腔室内部测量催化表面的难度极大，因此，对于碳化钨的表面结构，我们一直缺乏清晰的认识。”

为突破这一局限，研究团队开发出一种方法，可在反应进行过程中对材料结构加以调控。在发表于《美国化学会催化》杂志的一项研究中，波洛索夫（Porosoff）、佩雷拉（Perera）与化学工程专业的本科生伊娃·丘费泰利（Eva Ciuffetelli，2027届）在化学反应器内对碳化钨颗粒进行了纳米级精细设计，该反应器内的温度可超过700摄氏度。

研究人员采用一种名为程序升温渗碳的方法，直接在反应器内合成了特定相态的碳化钨催化剂。随后，他们通过化学反应测试并分析了不同版本催化剂的性能表现，以筛选出效能最优者。

“某些相态在热力学上更为稳定，因此催化剂本身就会趋向于形成这些相态，”波罗斯夫说道，“但其他热力学稳定性稍逊的相态，在作为催化剂时却更为高效。”

通过这一过程，研究团队发现了一种特定相态——β-W2C，它在将二氧化碳转化为燃料及其他高价值化学品关键组分的反应中表现尤为出色。经行业进一步优化后，波罗斯夫（Porosoff）及其团队认为，这种相态有望媲美铂金的性能，同时规避其成本高昂、资源稀缺的弊端。

利用碳化钨实现塑料废弃物的升级回收

研究人员还探究了碳化钨如何助力应对另一重大挑战：塑料废弃物。波洛索夫（Porosoff）及其合作者研究了将其用作塑料升级回收催化剂的可能性，该工艺能将废弃塑料转化为品质更高的材料。

《美国化学学会杂志》刊登了一项研究，该研究由北得克萨斯大学的林晓（音译）主导，波罗斯夫（Porosoff）和罗切斯特大学助理教授西达尔特·德什潘德（Siddharth Deshpande）提供支持。研究团队展示了碳化钨如何驱动一种名为加氢裂化的化学反应过程。

加氢裂化可将大分子裂解为可重新利用以制造新产品的较小分子。在此案例中，研究人员聚焦于聚丙烯，这种材料常用于制造水瓶及许多其他塑料制品。

尽管加氢裂化技术广泛应用于油气精炼领域，但将其应用于塑料废弃物处理却困难重重。大多数一次性塑料含有极为稳定的长链聚合物，而废弃物流中的污染物会迅速使传统催化剂失活。此外，铂基催化剂所依赖的微孔载体孔径过小，长链聚合物根本无法进入其活性位点。

波罗斯夫（Porosoff）表示：“若碳化钨的相态正确，便兼具金属性与酸性特质，这有助于分解这些聚合物中的碳链。这些庞大笨重的聚合物链能够更轻松地与碳化钨发生相互作用，因为它们没有微孔，而微孔会限制典型的铂基催化剂发挥作用。”

结果显示，碳化钨不仅比用于加氢裂化的铂催化剂便宜得多，而且效率高出10倍有余。研究人员表示，这些发现或将推动催化剂设计的优化，并开辟将塑料废弃物转化为高价值材料的新途径，从而助力循环经济发展。

更精准地测量温度

精准的温度测量在开发高效催化剂的过程中起着至关重要的作用。化学反应或吸热（吸热反应），或放热（放热反应），而控制催化剂表面的温度能让科学家更有效地协调多种反应。

然而，传统的温度测量依赖的是对反应器内整体状况进行平均后得出的批量读数。这些测量方法往往无法精确捕捉催化剂表面的具体环境，使得难以准确研究反应过程。

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烈亚·皮克尔（Andrea Pickel）实验室研发的光学测量技术。他们在发表于《EES催化》期刊的一项研究中介绍了这一新方法。

波罗斯夫（Porosoff）表示：“我们从这项研究中了解到，根据化学类型的不同，通过这些整体读数所测得的温度可能会存在10至100摄氏度的偏差。在催化研究中，我们致力于确保测量结果的可重复性，以及多个反应能够成功耦合，因此这一偏差意义重大。”

研究团队采用此方法，对串联催化体系展开了研究。在该体系中，某一反应释放的热量被用于驱动另一需热量输入的反应。更精准地配对这些反应，能够减少能量损耗，提升化学过程的整体效率。

波罗斯夫表示，这项技术还可能对更广泛的催化研究方式产生影响，使整个领域内的测量更精准、可重复性更强、结果更可靠。

参考文献：

2026年1月5日，辛哈拉·M·H·D·佩雷拉（Sinhara M. H. D. Perera）、伊娃·丘费泰利（Eva Ciuffetelli）与马克·D·波罗索夫（Marc D. Porosoff）于《美国化学学会催化期刊》（ACS Catalysis）发表《实现多晶型碳化钨催化剂的相控制》一文。DOI编号：10.1021/acscatal.5c07774

《固有双功能且可调的碳化钨催化剂助力高效聚氯乙烯兼容型聚烯烃加氢裂化》，作者：乌切娜·C·恩瓦丘库、马修·J·莫格林、辛哈拉·M·H·D·佩雷拉、阿萨兰·尼萨尔·帕桑、陈军、费雷什泰·雷兹瓦尼、阿斯瓦西·拉吉万·万南特·瓦拉皮尔、周聪、拉米萨·拉赫曼、刘健、金圣民、詹姆斯·M·伊根、西达尔特·德什潘德、马克·D·波罗斯夫、林晓晨，2025年12月17日发表于《美国化学学会杂志》。DOI：10.1021/jacs.5c11845

《借助原位发光测温法同步利用并理解串联催化剂中的放热现象》，作者：辛哈拉·M·H·D·佩雷拉、本杰明·哈林顿、阿德尔·法德勒、安德烈亚·D·皮克尔和马克·D·波罗索夫，发表于2025年12月15日《EES催化》期刊。DOI：10.1039/D5EY00319A

《ACS Catalysis》期刊上的这项研究获得了斯隆基金会与能源部的资助。《美国化学学会志》上的研究得到了国家科学基金会的支持。而《EES Catalysis》上的研究则由纽约州能源研究与发展管理局通过碳科技开发计划提供资金支持。