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研究人员发现了一种可以加快化学反应速度的新技术,比目前的反应速度限制快10000倍

2019-06-09 李俊

明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发现了一种可以加快化学反应速度的新技术,比目前的反应速度限制快10000倍。相关研究成果以“Principles of Dynamic Heterogeneous Catalysis: Surface Resonance and Turnover Frequency Response”为题发表在美国化学会权威期刊《ACS 催化》上(DOI:10.1021 / acscatal.9b01606)。

在催化剂表面发生的反应将会加速,但只能达到Sabatier原理允许的速度,通常被称为催化的“Goldilocks”原则,最好的催化剂旨在完美平衡化学反应的两个部分。反应分子粘在金属表面上,既不会太强也不会太弱,但“恰到好处”。这一原则于1960年建立,Sabatier最大值目前仍然是催化速度极限。近日,由美国能源部资助的催化能源创新中心的研究人员发现,通过向催化剂施加波浪打造振荡催化剂可以打破催化速度的限制。

波具有波峰和波谷,当施加时,它允许化学反应的两个部分以不同的速度独立地发生。当施加到催化剂表面的波与化学反应的固有频率相匹配时,速率通过“共振”的机制显著上升。
 


图片来源:明尼苏达大学


明尼苏达大学(Uniersity of Minnesota)化学工程和材料科学教授Paul Dauenhauer说:“我们很早就意识到催化剂需要随着时间的推移而改变,事实证明,千赫兹到兆赫的频率会大大加快催化剂的使用速度。” 

催化速度限制或Sabatier最大值仅适用于少数金属催化剂。具有较弱或较强结合的其他金属表现出较慢的反应速率。因此催化剂反应速率相对于金属类型的图被称为“火山地形”,其中最好的静态催化剂存在于火山峰的中间。

催化能源创新中心的博士后学者Alex Ardagh说:最好的催化剂需要在火山图两侧的强弱结合条件之间快速转换,如果我们足够快地翻转结合强度,那么在强力和弱结合之间跳跃的催化剂实际上会超过催化速度限制。

加速化学反应的能力直接影响肥料、食品、燃料、塑料等数千种化学和材料技术的开发。在过去的一个世纪中,这些产品已经使用静电催化剂如负载金属进行了优化。提高反应速率可以显着减少制造这些材料所需的设备数量,并降低许多日常材料的总体成本。

“这有可能彻底改变我们制造几乎所有最基本化学品的方式,如材料和燃料,” 催化能源创新中心主任Dionisios Vlachos教授说。“从常规催化剂到动态催化剂的转变将与从直流电到交流电的转变一样大。”
 


Paul Dauenhauer教授


课题组主页:https://dauenhauer.cems.umn.edu/

参考资料:

https://twin-cities.umn.edu/news-events/research-brief-energy-researchers-break-catalytic-speed-limit 
http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.9b01606 

来源:ChemNews,化学科讯