Исследование опубликовано в Интернете в ACS Catalysis, журнале Американского химического общества.
В химических реакциях ученые используют так называемые катализаторы для ускорения реакций.
Реакция, происходящая на поверхности катализатора, например, на металле, будет ускоряться, но она может протекать только настолько быстро, насколько это разрешено так называемым принципом Сабатье. Самый лучший катализатор, который часто называют «принципом Златовласки», направлен на то, чтобы идеально сбалансировать две части химической реакции. Реагирующие молекулы должны прилипать к металлической поверхности, чтобы реагировать не слишком сильно и не слишком слабо, а «в самый раз».«С тех пор, как этот принцип был количественно установлен в 1960 году, максимум Сабатье оставался каталитическим ограничением скорости.
Исследователи Центра катализа для энергетических инноваций, финансируемого U.S. Министерство энергетики обнаружило, что они могут нарушить ограничение скорости, применяя волны к катализатору, чтобы создать колеблющийся катализатор. У волны есть вершина и основание, и когда она применяется, она позволяет обеим частям химической реакции протекать независимо с разной скоростью.
Когда волна, приложенная к поверхности катализатора, соответствовала собственной частоте химической реакции, скорость резко возрастала за счет механизма, называемого «резонансным»."
«Мы рано поняли, что катализаторы должны меняться со временем, и оказалось, что частоты от килогерц до мегагерц резко ускоряют скорость катализатора», – сказал Пол Дауэнхауэр, профессор химической инженерии и материаловедения в Университете Миннесоты и один из авторов. исследования.
Каталитический предел скорости, или максимум Сабатье, доступен только для нескольких металлических катализаторов. Другие металлы, которые имеют более слабое или более сильное связывание, демонстрируют более низкую скорость реакции.
По этой причине графики зависимости скорости реакции катализатора от типа металла были названы "графиками в форме вулкана" с лучшим статическим катализатором, существующим прямо в середине на пике вулкана.
«Лучшие катализаторы должны быстро переключаться между условиями сильного и слабого связывания по обе стороны диаграммы вулкана», – сказал Алекс Арда, научный сотрудник Центра катализа для энергетических инноваций. "Если мы изменим силу связывания достаточно быстро, катализаторы, которые перескакивают между сильным и слабым связыванием, фактически будут работать выше каталитического предела скорости."
Способность ускорять химические реакции напрямую влияет на тысячи химических и материальных технологий, используемых для разработки удобрений, продуктов питания, топлива, пластмасс и многого другого. В прошлом веке эти продукты были оптимизированы с использованием статических катализаторов, таких как нанесенные металлы.
Повышенная скорость реакции может значительно сократить количество оборудования, необходимого для производства этих материалов, и снизить общие затраты на многие повседневные материалы.
Резкое улучшение характеристик катализатора также может уменьшить масштабы систем для распределенных и сельских химических процессов.
Из-за экономии затрат в крупномасштабных традиционных каталитических системах большинство материалов производятся только в огромных централизованных местах, таких как нефтеперерабатывающие заводы. Более быстрые динамические системы могут быть небольшими процессами, которые могут быть расположены в сельской местности, например на фермах, заводах по производству этанола или военных объектах.
«Это может полностью изменить способ производства почти всех наших основных химикатов, материалов и топлива», – сказал профессор Дионисиос Влахос, директор Центра катализа для энергетических инноваций. "Переход от обычных катализаторов к динамическим будет таким же значительным, как и переход от электричества постоянного тока к переменному току."