Skoltech-onderzoekers en hun collega's van de Tomsk Polytechnic University hebben een efficiënte en goedkope manier voorgesteld om superhard wolfraamboride te synthetiseren, dat wordt gebruikt bij boren en andere industriële technologieën. Het onderzoek dat de nieuwe techniek beschrijft, is gepubliceerd in het tijdschrift Inorganic Chemistry en stond op de cover van het meinummer.

Toen ze werden ontdekt, spraken wolfraamboriden tot de verbeelding van wetenschappers vanwege hun hardheid, thermische weerstand, lage thermische geleidbaarheid en andere fascinerende mechanische eigenschappen die superieur waren aan die van andere materialen die bijna een eeuw lang ongeëvenaard waren gebleven. De bestaande methoden voor de synthese van wolfraamboride vereisen echter een vacuüm of een inerte atmosfeer onder hoge druk. Dit verhoogt de productiekosten en beperkt de schaalbaarheid en het productievolume.

"We waren op zoek naar een efficiënte benadering voor grootschalige synthese van WB5-x, een specifieke wolfraamboride-variëteit met een extreem hoge slijtvastheid", zegt de hoofdonderzoeker van het onderzoek, assistent-professor Alexander Kvashnin van Skoltech's Project Center for Energy Transition en ESG. "Het kostte ons veel tijd en energie, en het identificeren van de verschillende fasen in de gesynthetiseerde monsters bleek een uitdaging te zijn. Maar computationele methoden kwamen te hulp en na grondig onderzoek van de syntheseomstandigheden en de structuur van het verkregen materiaal, we ontdekten dat we erin waren geslaagd een tweefasenmonster te synthetiseren dat WB2 en WB5-x bevat."

De hoofdauteur van het artikel, onderzoekswetenschapper Alexander Pak van het Ecoenergy 4.0 Research Center aan de Tomsk Polytechnic University, merkt op:"De kristalfasen van wolfraamboride voorspeld door onze Skoltech-collega's werden met succes verkregen met behulp van de originele vacuümloze atmosferische boogplasmasynthesetechniek in de DC-boog plasmareactor ontwikkeld aan de Tomsk Polytechnic University. Door de methode en het reactorontwerp te vereenvoudigen, zijn we erin geslaagd een aantal dure hightechcomponenten te elimineren. In vergelijking met directe analogen, schatten we dat onze methode tot 90% minder stroom verbruikt, tenminste wanneer het synthetiseren van materiaal in de hoeveelheden die typisch zijn voor laboratoriumexperimenten."

De speciaal gebouwde experimentele opstelling die in het onderzoek werd gebruikt, bestond uit een grafietkathode in de vorm van een smeltkroes en een staafvormige anode die erin zou passen, ook gemaakt van grafiet. Het aanvankelijke mengsel van wolfraampoeder en boor werd samengeperst en op de bodem van de smeltkroes geplaatst. Vervolgens werd een elektrische boogontlading gestart tussen de anode en de kathode in normale lucht. Als gevolg hiervan reageerde atmosferische zuurstof met de koolstof in grafiet, waardoor een op zichzelf staande gasomgeving in de smeltkroes werd geproduceerd. Terwijl de elektrische boog de temperatuur opdreef, vond synthese plaats, wat verschillende wolfraamboriden opleverde in een verhouding die werd bepaald door de verhouding van de bronmaterialen en de parameters van de plasmabehandeling. Belangrijk is dat dit hele proces geen vacuümomgeving vereist, waardoor de methode toepasbaar is op grootschalige industriële productie.

"We hebben ook de methode verbeterd om de experimentele parameters te verfijnen om de productsamenstelling te regelen", voegt Kvashnin toe. "Hierdoor kon het aandeel van de gewenste WB5-x-fase in het monster worden verhoogd tot 61,5% per volume."

De nieuwe vacuümloze techniek is de eerste stap naar een controleerbare, goedkope grootschalige synthese van superhard wolfraamboride met uitzonderlijke mechanische eigenschappen voor een breed scala aan industriële toepassingen. Volgens de onderzoekers zal het materiaal zelfs geschikt zijn om koolstofdioxide uit fabrieksuitstoot te wassen en blauwe waterstof te produceren. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van WB5-x als katalysator in dat proces is dat het kan worden hergebruikt. + Verder verkennen

Onderzoekers lossen een 60 jaar oude puzzel op over een superhard materiaal