明尼蘇達(dá)大學(xué)和馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可以加快化學(xué)反應(yīng)速度的新技術(shù)，比目前的反應(yīng)速度限制快10000倍。相關(guān)研究成果以“Principles of Dynamic Heterogeneous Catalysis: Surface Resonance and Turnover Frequency Response”為題發(fā)表在美國化學(xué)會權(quán)威期刊《ACS 催化》上（DOI：10.1021 / acscatal.9b01606）。

在催化劑表面發(fā)生的反應(yīng)將會加速，但只能達(dá)到Sabatier原理允許的速度，通常被稱為催化的“Goldilocks”原則，最好的催化劑旨在完美平衡化學(xué)反應(yīng)的兩個部分。反應(yīng)分子粘在金屬表面上，既不會太強(qiáng)也不會太弱，但“恰到好處”。這一原則于1960年建立，Sabatier最大值目前仍然是催化速度極限。近日，由美國能源部資助的催化能源創(chuàng)新中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過向催化劑施加波浪打造振蕩催化劑可以打破催化速度的限制。

波具有波峰和波谷，當(dāng)施加時，它允許化學(xué)反應(yīng)的兩個部分以不同的速度獨(dú)立地發(fā)生。當(dāng)施加到催化劑表面的波與化學(xué)反應(yīng)的固有頻率相匹配時，速率通過“共振”的機(jī)制顯著上升。
 

圖片來源：明尼蘇達(dá)大學(xué)

明尼蘇達(dá)大學(xué)(Uniersity of Minnesota)化學(xué)工程和材料科學(xué)教授Paul Dauenhauer說：“我們很早就意識到催化劑需要隨著時間的推移而改變，事實證明，千赫茲到兆赫的頻率會大大加快催化劑的使用速度?！?nbsp;

催化速度限制或Sabatier最大值僅適用于少數(shù)金屬催化劑。具有較弱或較強(qiáng)結(jié)合的其他金屬表現(xiàn)出較慢的反應(yīng)速率。因此催化劑反應(yīng)速率相對于金屬類型的圖被稱為“火山地形”，其中最好的靜態(tài)催化劑存在于火山峰的中間。

催化能源創(chuàng)新中心的博士后學(xué)者Alex Ardagh說：最好的催化劑需要在火山圖兩側(cè)的強(qiáng)弱結(jié)合條件之間快速轉(zhuǎn)換，如果我們足夠快地翻轉(zhuǎn)結(jié)合強(qiáng)度，那么在強(qiáng)力和弱結(jié)合之間跳躍的催化劑實際上會超過催化速度限制。

加速化學(xué)反應(yīng)的能力直接影響肥料、食品、燃料、塑料等數(shù)千種化學(xué)和材料技術(shù)的開發(fā)。在過去的一個世紀(jì)中，這些產(chǎn)品已經(jīng)使用靜電催化劑如負(fù)載金屬進(jìn)行了優(yōu)化。提高反應(yīng)速率可以顯著減少制造這些材料所需的設(shè)備數(shù)量，并降低許多日常材料的總體成本。

“這有可能徹底改變我們制造幾乎所有最基本化學(xué)品的方式，如材料和燃料，” 催化能源創(chuàng)新中心主任Dionisios Vlachos教授說?！皬某Ｒ?guī)催化劑到動態(tài)催化劑的轉(zhuǎn)變將與從直流電到交流電的轉(zhuǎn)變一樣大。”
 

Paul Dauenhauer教授

課題組主頁：https://dauenhauer.cems.umn.edu/

參考資料：

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

來源：ChemNews，化學(xué)科訊