突破化學反應速度極限的新技術，可大大降低化肥等行業的成本_風聞

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編譯／雷鑫宇 審稿／阿淼 責編／唐林芳

研究人員開發了“振盪催化”技術，該技術可突破化學反應速率極限，顯著降低化學反應成本。

新技術有望加快數千種化學反應的速度，並降低其成本。

phys.org網站近日報道，權威期刊《美國化學會·催化》網絡版發文稱，美國明尼蘇達大學和馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的研究人員發現了一種新技術，可以讓化學反應的速度突破極限，最高可達上萬倍。這一發現對於提高涉及化肥、食品、燃料和塑料等的數千種化學反應速度、降低反應成本有重要意義。

為加速化學反應的進行，化學家們通常會使用催化劑。雖然催化劑可以顯著提升化學反應速度，但也會受到薩巴蒂爾原理的限制。薩巴蒂爾原理指出，理想的催化劑旨在完美地平衡化學反應，反應既不能太強，也不能太弱，而應該“恰到好處”。自薩巴蒂爾原理在1960年定量建立以來，薩巴蒂爾最大值一直是催化速率的極限。

由美國能源部資助，能源創新催化中心的研究人員發現，通過對催化劑施加波作用，可以製造出“振盪催化劑”，從而打破速度限制。

波包含波峯和波谷，當波作用於催化劑時，振盪催化劑可使化學反應的兩部分以不同的速率獨立進行。當波與化學反應的固有頻率相互匹配時，反應速率將因為“共振”機制的作用而極速上升。明尼蘇達大學化學工程與材料科學教授、論文作者Paul Dauenhauer説：“很早以前，我們就意識到催化劑需要隨着化學反應的進行而變化。在本研究中，我們發現千赫茲至兆赫茲的頻率有顯著加速作用。”

薩巴蒂爾最大值理論只用於少數金屬催化劑。催化劑反應速率與金屬類型的關係圖被稱為“火山圖”。最理想的靜態催化劑位於火山峯頂的正中間位置。能源創新催化中心的博士後學者Alex Ardagh解釋説：“理想的催化劑需要能在位於火山圖兩側的強結合條件和弱結合條件之間快速切換。如果我們翻轉結合強度的速度足夠快，那麼在強結合和弱結合之間‘跳躍’的催化劑就能突破催化速度限制。”

為化學反應加速直接影響到多領域、數千種技術的開發和應用。化肥、食品和燃料等行業已經大量優先使用了負載金屬等靜態催化劑。如果反應速度能進一步提高，這類行業的成本將大大降低。此外，提高催化劑性能，對改善分佈式生產地點的產能也有巨大幫助。

能源創新催化中心主任Dionisios Vlachos教授説：“振盪催化劑有可能徹底改變基本化學品的生產方式。傳統催化劑向動態催化劑轉變的意義，不亞於直流電向交流電的轉變意義。”

來源：《美國化學會·催化》

期刊編號：2155-5435

原文鏈接：https://phys.org/news/2019-05-energy-catalytic-limit.html

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