Energiforskere bryder den katalytiske hastighedsgrænse

Et team af forskere fra University of Minnesota og University of Massachusetts Amherst har opdaget ny teknologi, der kan fremskynde kemiske reaktioner 10, 000 gange hurtigere end den aktuelle reaktionshastighedsgrænse. Disse resultater kunne øge hastigheden og sænke omkostningerne ved tusindvis af kemiske processer, der bruges til at udvikle gødning, fødevarer, brændstoffer, plastik, og mere.

Undersøgelsen er offentliggjort online i ACS katalyse , et førende tidsskrift fra American Chemical Society.

I kemiske reaktioner, videnskabsmænd bruger det, der kaldes katalysatorer til at fremskynde reaktioner. En reaktion, der finder sted på en katalysatoroverflade, såsom et metal, vil fremskynde, men det kan kun gå så hurtigt som tilladt ved det, der kaldes Sabatierens princip. Ofte kaldet "Goldilocks -princippet" for katalyse, den bedst mulige katalysator sigter mod perfekt balance mellem to dele af en kemisk reaktion. Reagerende molekyler bør klæbe til en metaloverflade for at reagere hverken for stærkt eller for svagt, men "lige rigtigt". Da dette princip blev fastlagt kvantitativt i 1960, Sabatier-maksimumet er forblevet den katalytiske hastighedsgrænse.

Forskere fra Catalysis Center for Energy Innovation, finansieret af det amerikanske energiministerium, fandt ud af, at de kunne bryde hastighedsgrænsen ved at påføre bølger på katalysatoren for at skabe en oscillerende katalysator. Bølgen har en top og bund, og når det anvendes, det tillader begge dele af en kemisk reaktion at forekomme uafhængigt ved forskellige hastigheder. Når bølgen påført katalysatoroverfladen matchede den naturlige frekvens af en kemisk reaktion, hastigheden steg dramatisk via en mekanisme kaldet "resonans".

"Vi indså tidligt, at katalysatorer skal ændre sig med tiden, og det viser sig, at kilohertz til megahertz frekvenser dramatisk accelererer katalysatorhastigheder, sagde Paul Dauenhauer, en professor i kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota og en af ​​forfatterne til undersøgelsen.

Den katalytiske hastighedsgrænse, eller Sabatier maksimum, er kun tilgængelig for nogle få metalkatalysatorer. Andre metaller, der har svagere eller stærkere binding, udviser langsommere reaktionshastighed. Af denne grund, plot af katalysatorreaktionshastighed versus metaltype er blevet kaldt "vulkanformede plots" med den bedste statiske katalysator, der eksisterer lige i midten ved vulkantoppen.

"De bedste katalysatorer skal hurtigt vende mellem stærke og svage bindingsforhold på begge sider af vulkandiagrammet, sagde Alex Ardagh, post-doc stipendiat i Catalysis Center for Energy Innovation. "Hvis vi vender bindingsstyrken hurtigt nok, Katalysatorer, der springer mellem stærk og svag binding, udfører faktisk over den katalytiske hastighedsgrænse."

Evnen til at fremskynde kemiske reaktioner påvirker direkte tusindvis af kemiske og materielle teknologier, der bruges til at udvikle gødning, fødevarer, brændstoffer, plastik, og mere. I det sidste århundrede, disse produkter er blevet optimeret ved hjælp af statiske katalysatorer såsom understøttede metaller. Forbedrede reaktionshastigheder kan betydeligt reducere mængden af ​​udstyr, der kræves til at fremstille disse materialer, og sænke de samlede omkostninger ved mange daglige materialer.

Dramatisk forbedring af katalysatorens ydeevne har også potentialet til at nedskalere systemer til distribuerede og landlige kemiske processer. På grund af omkostningsbesparelser i store konventionelle katalysatorsystemer, de fleste materialer fremstilles kun på enorme centraliserede steder såsom raffinaderier. Hurtigere dynamiske systemer kan være mindre processer, som kan være placeret i landlige omgivelser såsom gårde, ethanolplanter, eller militære installationer.

"Dette har potentiale til helt at ændre den måde, vi fremstiller næsten alle vores mest basale kemikalier på, materialer, og brændstoffer, " sagde professor Dionisios Vlachos, direktør for Catalysis Center for Energy Innovation. "Overgangen fra konventionelle til dynamiske katalysatorer vil være lige så stor som ændringen fra direkte til vekselstrøm."