Ett team av forskare från University of Minnesota och University of Massachusetts Amherst har upptäckt ny teknik som kan påskynda kemiska reaktioner 10, 000 gånger snabbare än den nuvarande gränsen för reaktionshastighet. Dessa fynd kan öka hastigheten och sänka kostnaden för tusentals kemiska processer som används för att utveckla gödningsmedel, mat, bränslen, plast, och mer.

Forskningen publiceras online i ACS -katalys , en ledande tidskrift för American Chemical Society.

Vid kemiska reaktioner, forskare använder vad som kallas katalysatorer för att påskynda reaktioner. En reaktion som inträffar på en katalysatoryta, som en metall, kommer att påskynda, men det kan bara gå så snabbt som det tillåts med det som kallas Sabatiers princip. Kallas ofta "Goldilocks -principen" för katalys, bästa möjliga katalysator syftar till att perfekt balansera två delar av en kemisk reaktion. Reagerande molekyler bör fastna på en metallyta för att varken reagera för starkt eller för svagt, men "helt rätt". Eftersom denna princip fastställdes kvantitativt 1960, Sabatier max har förblivit den katalytiska hastighetsgränsen.

Forskare vid Catalysis Center for Energy Innovation, finansierad av U.S. Department of Energy, fann att de kunde bryta hastighetsgränsen genom att applicera vågor på katalysatorn för att skapa en oscillerande katalysator. Vågen har en topp och botten, och när den tillämpas, det tillåter att båda delar av en kemisk reaktion sker oberoende av varandra vid olika hastigheter. När vågen som applicerades på katalysatorytan matchade den naturliga frekvensen av en kemisk reaktion, hastigheten steg dramatiskt via en mekanism som kallas "resonans".

"Vi insåg tidigt att katalysatorer måste förändras med tiden, och det visar sig att kilohertz till megahertz frekvenser dramatiskt accelererar katalysatorhastigheter, "sa Paul Dauenhauer, en professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota och en av författarna till studien.

Den katalytiska hastighetsgränsen, eller Sabatier maximum, är endast tillgänglig för några metallkatalysatorer. Andra metaller som har svagare eller starkare bindning uppvisar långsammare reaktionshastighet. Av denna anledning, diagram med katalysatorreaktionshastighet kontra metalltyp har kallats "vulkanformade tomter" med den bästa statiska katalysatorn som finns mitt i mitten vid vulkanens topp.

"De bästa katalysatorerna måste snabbt växla mellan starka och svaga bindningsförhållanden på båda sidor av vulkandiagrammet, "sa Alex Ardagh, postdoktor vid Catalysis Center for Energy Innovation. "Om vi ​​vänder bindningsstyrkan tillräckligt snabbt, katalysatorer som hoppar mellan stark och svag bindning presterar faktiskt över den katalytiska hastighetsgränsen. "

Möjligheten att påskynda kemiska reaktioner påverkar direkt tusentals kemikalier och materialtekniker som används för att utveckla gödningsmedel, mat, bränslen, plast, och mer. Under det senaste århundradet, dessa produkter har optimerats med hjälp av statiska katalysatorer, såsom bärbara metaller. Förbättrade reaktionshastigheter kan avsevärt minska mängden utrustning som krävs för att tillverka dessa material och sänka de totala kostnaderna för många vardagsmaterial.

Dramatisk förbättring av katalysatorprestanda har också potential att skala ner system för distribuerade och landsbygdens kemiska processer. På grund av kostnadsbesparingar i stora konventionella katalysatorsystem, de flesta material tillverkas bara på enorma centraliserade platser, till exempel raffinaderier. Snabbare dynamiska system kan vara mindre processer, som kan placeras på landsbygden, t.ex. gårdar, etanolväxter, eller militära installationer.

"Detta har potential att helt förändra vårt sätt att tillverka nästan alla våra mest grundläggande kemikalier, material, och bränslen, "sade professor Dionisios Vlachos, chef för Catalysis Center for Energy Innovation. "Övergången från konventionella till dynamiska katalysatorer kommer att vara lika stor som förändringen från direkt till växelström."