明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的一组研究人员发现了一种新技术，可以加快化学反应速度，比目前的反应速度限制快10,000倍。这些发现可以提高数千种用于开发肥料，食品，燃料，塑料等的化学过程的速度并降低成本。
该研究在线发表于ACS Catalysis，这是美国化学学会的主要期刊。
在化学反应中，科学家使用所谓的催化剂来加速反应。在催化剂表面(例如金属)上发生的反应将加速，但它只能达到所谓的Sabatier原理允许的速度。通常被称为催化的“Goldilocks原理”，最好的催化剂旨在完美平衡化学反应的两个部分。反应分子应该粘在金属表面上，既不会太强也不会太弱，但“恰到好处”。由于这一原则是在1960年定量建立的，因此Sabatier最大值仍然是催化速度限制。
由美国能源部资助的催化能源创新中心的研究人员发现，他们可以通过向催化剂施加波浪以打造振荡催化剂来打破速度限制。波浪具有顶部和底部，并且当施加时，它允许化学反应的两个部分以不同的速度独立地发生。当施加到催化剂表面的波与化学反应的固有频率相匹配时，速率通过称为“共振”的机制显着上升。
“我们很早就意识到催化剂需要随着时间的推移而改变，事实证明，千赫兹到兆赫的频率会大大加快催化剂的使用速度，” 明尼苏达大学化学工程和材料科学教授，作者之一Paul Dauenhauer说。这项研究。
催化速度限制或Sabatier最大值仅适用于少数金属催化剂。具有较弱或较强结合的其他金属表现出较慢的反应速率。由于这个原因，催化剂反应速率与金属类型的关系被称为“火山形状的地块”，其中最好的静态催化剂存在于火山峰的中间。
“最好的催化剂需要在火山图两侧的强弱结合条件之间快速转换，”催化能源创新中心的博士后学者Alex Ardagh说。“如果我们足够快地翻转结合强度，那么在强力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用于开发肥料，食品，燃料，塑料等的数千种化学和材料技术。在过去的一个世纪中，这些产品已经使用静电催化剂如负载金属进行了优化。提高反应速率可以显着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体成本。
催化剂性能的显着提高还有可能缩小分布式和农村化学过程的系统。由于大规模常规催化剂系统的成本节省，大多数材料仅在诸如炼油厂的巨大集中位置制造。更快的动态系统可以是更小的过程，可以位于农村地区，如农场，乙醇厂或军事设施。
“这有可能彻底改变我们制造几乎所有最基本的化学品，材料和燃料的方式，”催化能源创新中心主任Dionisios Vlachos教授说。“从常规催化剂到动态催化剂的转变将与从直流电到交流电的转变一样大。”