Ett team av forskare från University of Minnesota, University of Massachusetts Amherst, University of Delaware, och University of California Santa Barbara har uppfunnit oscillerande katalysatorteknologi som kan påskynda kemiska reaktioner utan sidoreaktioner eller kemiska fel. Den banbrytande tekniken kan införlivas i hundratals industriell kemisk teknik för att minska avfallet med tusentals ton varje år samtidigt som materialproduktionens prestanda och kostnadseffektivitet förbättras.

Denna forskning publiceras i Kemisk vetenskap , premiärjournalen för Royal Society of Chemistry.

Vid kemiska reaktioner, forskare använder vad som kallas katalysatorer för att påskynda reaktioner. En kemisk reaktion som inträffar på en katalysatoryta såsom en metall kommer att accelerera snabbare än oönskade sidoreaktioner. När den primära reaktionen är mycket snabbare än varannan sidreaktion, då är katalysatorn bra på att välja ut de mest värdefulla produkterna. Sidreaktionerna är fel i kemikontroll, och de resulterar i betydande generering av spillmaterial och ekonomisk förlust.

Forskare vid Catalysis Center for Energy Innovation som finansierades av US Department of Energy fick ett genombrott när de insåg att de kunde designa en ny klass katalysatorer som kraftigt accelererade de primära ytreaktionerna med hjälp av vågor. När den applicerade vågfrekvensen och amplituden matchar egenskaperna hos den primära kemin, då blir den reaktionen tusentals gånger snabbare än alla andra sidreaktioner. Katalysatorn vid dessa vågförhållanden slutar väsentligen göra några fel på sidoprodukter.

"Alla kemiska reaktioner har naturliga frekvenser, som strängar på ett piano eller en gitarr, "sa Paul Dauenhauer, huvudförfattare till studien och professor vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota College of Science and Engineering. "När vi hittar rätt frekvens för en önskad katalytisk reaktion, då blir katalysatorn nästan perfekt - de slösaktiga reaktionerna stannar nästan helt. "

Upptäckten har särskild betydelse för produktionen av viktiga kemikalier i energin, material, mat, och medicinska industrier. De viktigaste kemikalierna tillverkas i massiv industriell skala så att även välutvecklade katalysatorer bildar några sidoprodukter, generera tusentals ton avfall per år.

Forskarna kunde i stort förklara sambandet mellan olika typer av kemi och frekvenserna av ytvågor som styr katalysatorfel.

"En molekyl på en yta kan gå ner flera energibanor, men den oscillerande katalysatorn kan nästan helt styra vilken väg molekylen väljer, inklusive att förhindra att molekyler rör sig längs oönskade energikanaler på katalysatorytan, "sa Alex Ardagh, den första författaren till forskningsrapporten och en postdoktoral forskare vid University of Minnesota.

Upptäckten av mycket selektiv, felfria katalysatorer bygger på den tidigare utvecklingen av dynamisk katalytisk teori som utvecklats av samma grupp. Konventionella katalysatorer som uppvisar optimal kontroll över katalytiska reaktioner har ytenergier specifika för en viss kemi. Dock, de nyare dynamiska katalysatorerna som förändras som en våg, oscillerande bindningsenergi mellan både starkare och svagare än den konventionella ytenergin.

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