Energiforskere opfinder fejlfrie katalysatorer

Et team af forskere fra University of Minnesota, University of Massachusetts Amherst, University of Delaware, og University of California Santa Barbara har opfundet oscillerende katalysatorteknologi, der kan accelerere kemiske reaktioner uden sidereaktioner eller kemiske fejl. Den banebrydende teknologi kan indarbejdes i hundredvis af industrielle kemiske teknologier for at reducere spild med tusindvis af tons hvert år og samtidig forbedre ydeevnen og omkostningseffektiviteten af ​​materialeproduktion.

Denne forskning er publiceret i Kemisk Videnskab , premieretidsskriftet for Royal Society of Chemistry.

I kemiske reaktioner, videnskabsmænd bruger det, der kaldes katalysatorer til at fremskynde reaktioner. En kemisk reaktion, der forekommer på en katalysatoroverflade, såsom et metal, vil accelerere hurtigere end uønskede sidereaktioner. Når den primære reaktion er meget hurtigere end enhver anden bireaktion, så er katalysatoren god til at udvælge de mest værdifulde produkter. Bireaktionerne er fejl i kemikontrol, og de resulterer i betydelig generering af spildt materiale og økonomiske tab.

Forskere ved Catalysis Center for Energy Innovation finansieret af U.S. Department of Energy fik et gennembrud, da de indså, at de kunne designe en ny klasse af katalysatorer, der i høj grad accelererede de primære overfladereaktioner ved hjælp af bølger. Når den anvendte bølgefrekvens og amplitude stemmer overens med karakteristika for den primære kemi, så bliver den reaktion tusindvis af gange hurtigere end alle andre sidereaktioner. Katalysatoren ved disse bølgeforhold holder i det væsentlige op med at lave fejl på sideprodukter.

"Alle kemiske reaktioner har naturlige frekvenser, som strygere på et klaver eller en guitar, sagde Paul Dauenhauer, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og en professor i Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab ved University of Minnesota's College of Science and Engineering. "Når vi finder den rigtige frekvens af en ønsket katalytisk reaktion, så bliver katalysatoren næsten perfekt - de spildende reaktioner stopper næsten helt. "

Opdagelsen har særlig betydning for produktionen af ​​nøglekemikalier i energien, materialer, mad, og medicinske industrier. De vigtigste kemikalier fremstilles i massiv industriel skala, således at selv veludviklede katalysatorer danner nogle biprodukter, generere tusindvis af tons affald om året.

Forskerne var i stand til bredt at forklare forholdet mellem forskellige typer kemi og frekvenserne af overfladebølger, der kontrollerer katalysatorfejl.

"Et molekyle på en overflade kan gå ad flere energibaner, men den oscillerende katalysator kan næsten fuldstændig kontrollere, hvilken vej molekylet vælger, herunder forhindre molekyler i at bevæge sig langs uønskede energikanaler på katalysatoroverfladen, sagde Alex Ardagh, den første forfatter til forskningspapiret og en postdoc-forsker ved University of Minnesota.

Opdagelsen af ​​meget selektive, fejlfri katalysatorer bygger på den tidligere udvikling af dynamisk katalytisk teori udviklet af samme gruppe. Konventionelle katalysatorer, der udviser optimal kontrol over katalytiske reaktioner, har overfladeenergier, der er specifikke for en bestemt kemi. Imidlertid, de nyere dynamiske katalysatorer, der ændrer sig som en bølge, oscillere bindingsenergi mellem både stærkere og svagere end den konventionelle overfladeenergi.

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