En ny teori utvecklad av forskare vid University of California, Berkeley, ger en grundläggande förståelse för hur töjning kan förbättra den katalytiska aktiviteten hos material. Teorin, publicerad i tidskriften Science Advances, kan hjälpa forskare att designa nya katalysatorer för en mängd olika kemiska reaktioner, inklusive de som är involverade i produktionen av bränslen och läkemedel.

Katalysatorer är material som påskyndar kemiska reaktioner utan att förbrukas i processen. De är nödvändiga för ett brett spektrum av industriella processer, inklusive produktion av bensin, plast och gödningsmedel. Men många katalysatorer är dyra och ineffektiva, och de kan också producera skadliga biprodukter.

Ett sätt att förbättra prestanda hos katalysatorer är att sila dem. Detta kan göras genom att applicera tryck, sträcka eller vrida materialet. Spända katalysatorer har visat sig vara mer aktiva och selektiva än ostressade katalysatorer, men det har inte varit klart varför.

Den nya teorin som utvecklats av Berkeley-forskare ger en grundläggande förklaring till den förbättrade katalytiska aktiviteten hos ansträngda material. Teorin visar att stam förändrar katalysatorns elektroniska struktur, vilket gör den mer reaktiv. Denna ökade reaktivitet gör att katalysatorn kan påskynda kemiska reaktioner mer effektivt.

Teorin kan hjälpa forskare att designa nya katalysatorer för en mängd olika kemiska reaktioner. Genom att förstå hur stam påverkar katalytisk aktivitet kan forskare skräddarsy egenskaperna hos katalysatorer för att uppnå önskade resultat. Detta kan leda till utvecklingen av mer effektiva och miljövänliga katalysatorer för en lång rad industriella processer.

"Vår teori ger ett nytt sätt att tänka om katalys", säger studiens huvudförfattare Dr Jeffrey Greeley. "Det visar att stam inte bara är ett sätt att förbättra prestandan hos befintliga katalysatorer, utan det är också ett sätt att designa nya katalysatorer med oöverträffad aktivitet och selektivitet."

Teorin bygger på densitetsfunktionella teorin (DFT), en mycket använd metod för att studera materials elektroniska struktur. DFT-beräkningar utfördes på en mängd olika ansträngda och otränade katalysatorer, och resultaten visade att töjningen signifikant förändrade materialens elektroniska struktur. Dessa förändringar i elektronisk struktur kopplades sedan till den förbättrade katalytiska aktiviteten hos ansträngda material.

Studien finansierades av U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences.