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化学重大飞跃:打破催化速度极限!
2019-07-04 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  科学家打破了催化速度的极限,明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的一组研究人员发现了一种新技术,可以使化学反应的速度比目前的反应速度极限快一万倍。这些发现可以提高开发化肥、食品、燃料、塑料等成千上万种化学过程的速度,降低成本。这项研究发表在美国化学学会的权威期刊《ACS催化》上。在化学反应中,科学家们使用所谓的催化剂来加速反应。 

 

  发生在催化剂表面(如金属)上的反应将会加速,但速度只能达到萨巴蒂尔原理所允许的限度。通常被称为“黄金原则”催化,最好的催化剂旨在完美地平衡一个化学反应的两个部分。反应分子应该附着在金属表面,反应既不强烈也不弱,但“恰到好处”。自从这一原理定量建立以来,Sabatier最大值一直是催化速度的极限。由美国能源部资助的催化能源创新中心的研究人员发现,可以通过在催化剂上施加波来创造一种振荡催化剂,从而打破速度限制。 

 

  波有一个顶部和一个底部,当施加时,它允许化学反应的两个部分以不同的速度独立发生。当施加在催化剂表面的波与化学反应固有频率相匹配时,通过一种称为“共振”的机制,反应速率急剧上升。明尼苏达大学(University of Minnesota)化学工程和材料科学教授、该研究的作者之一保罗·多恩豪尔(Paul Dauenhauer)说:我们很早就意识到催化剂需要随着时间的推移而变化,结果发现,千赫兹到兆赫的频率会显著加快催化剂的速度。 

 

  催化速度极限,或萨巴蒂尔最大值,只适用于少数金属催化剂。其他结合较弱或较强的金属反应速度较慢。因此,催化剂反应速率相对于金属类型的图被称为“火山型图”,其中最好的静态催化剂存在于火山峰顶的正中间。能源创新催化中心(catalyst sis Center for Energy Innovation)的博士后学者亚历克斯·阿达格(Alex Ardagh)说:最好的催化剂需要在两侧的强结合条件和弱结合条件之间快速切换。 

 

  如果足够快地翻转结合强度,在强结合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到用于开发化肥、食品、燃料、塑料等数千种化学和材料技术。在过去的一个世纪里,这些产品已经被优化使用静态催化剂,如负载金属。提高反应速度可以大大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成本。催化剂性能显著提高也有可能缩小分布式和农村化学过程的系统规模。 

 

  由于大规模传统催化剂系统的成本节约,大多数材料只在炼油厂等巨大的集中地点生产。更快动态系统可以是较小的进程,可以位于农村地区,如农场、乙醇厂或军事设施。能源创新催化中心主任Dionisios Vlachos教授说:这有可能彻底改变我们生产几乎所有最基本的化学品、材料和燃料的方式。从传统催化剂向动态催化剂的转变,将与从直流电向交流电的转变一样大。 

  参考期刊《ACS催化》DOI:10.1021/acscatal.9b01606   

  

  编辑:规划战略与信息中心 图书馆

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