化學家打破了催化速度的極限！近日，明尼蘇達大學和馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員發現了一種可以加快化學反應速度的新技術，比目前的反應速度限制快10000倍。相關研究成果以“Principles of Dynamic Heterogeneous Catalysis: Surface Resonance and Turnover Frequency Response”為題發表在美國化學會權威期刊《ACS 催化》上（DOI：10.1021 / acscatal.9b01606）。

在催化劑表面發生的反應將會加速，但只能達到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反應的兩個部分。反應分子粘在金屬表面上，既不會太強也不會太弱，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新中心的研究人員發現，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，當施加時，它允許化學反應的兩個部分以不同的速度獨立地發生。當施加到催化劑表面的波與化學反應的固有頻率相匹配時，速率通過“共振”的機制顯著上升。

圖片來源：明尼蘇達大學

明尼蘇達大學（Uniersity of Minnesota）化學工程和材料科學教授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。” 催化速度限制或Sabatier最大值僅適用于少數金屬催化劑。具有較弱或較強結合的其他金屬表現出較慢的反應速率。因此催化劑反應速率相對于金屬類型的圖被稱為“火山地形”，其中最好的靜態催化劑存在于火山峰的中間。

催化能源創新中心的博士后學者Alex Ardagh說：最好的催化劑需要在火山圖兩側的強弱結合條件之間快速轉換，如果我們足夠快地翻轉結合強度，那么在強力和弱結合之間跳躍的催化劑實際上會超過催化速度限制。

加速化學反應的能力直接影響肥料、食品、燃料、塑料等數千種化學和材料技術的開發。在過去的一個世紀中，這些產品已經使用靜電催化劑如負載金屬進行了優化。提高反應速率可以顯著減少制造這些材料所需的設備數量，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品的方式，如材料和燃料，” 催化能源創新中心主任Dionisios Vlachos教授說。“從常規催化劑到動態催化劑的轉變將與從直流電到交流電的轉變一樣大。”

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