Een team van onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft nieuwe technologie ontdekt die chemische reacties kan versnellen 10, 000 keer sneller dan de huidige limiet voor reactiesnelheid. Deze bevindingen kunnen de snelheid verhogen en de kosten verlagen van duizenden chemische processen die worden gebruikt bij het ontwikkelen van meststoffen, voedsel, brandstoffen, kunststoffen, en meer.

Het onderzoek wordt online gepubliceerd in ACS Katalyse , een toonaangevend tijdschrift van de American Chemical Society.

Bij chemische reacties, wetenschappers gebruiken zogenaamde katalysatoren om reacties te versnellen. Een reactie die plaatsvindt op een katalysatoroppervlak, zoals een metaal, zal versnellen, maar het kan alleen zo snel gaan als toegestaan ​​door wat het Sabatier-principe wordt genoemd. Vaak het "Goldilocks-principe" van katalyse genoemd, de best mogelijke katalysator heeft tot doel twee delen van een chemische reactie perfect in evenwicht te brengen. Reagerende moleculen moeten aan een metalen oppervlak blijven kleven om niet te sterk of te zwak te reageren, maar "precies goed." Aangezien dit principe in 1960 kwantitatief werd vastgesteld, het Sabatier-maximum is de katalytische snelheidslimiet gebleven.

Onderzoekers van het Catalysis Center for Energy Innovation, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, ontdekten dat ze de snelheidslimiet konden breken door golven op de katalysator uit te oefenen om een ​​oscillerende katalysator te creëren. De golf heeft een boven- en onderkant, en wanneer toegepast, het maakt het mogelijk dat beide delen van een chemische reactie onafhankelijk met verschillende snelheden plaatsvinden. Toen de golf die op het katalysatoroppervlak werd aangebracht overeenkwam met de natuurlijke frequentie van een chemische reactie, de snelheid ging dramatisch omhoog via een mechanisme dat 'resonantie' wordt genoemd.

"We realiseerden ons al vroeg dat katalysatoren met de tijd moeten veranderen, en het blijkt dat kilohertz tot megahertz frequenties de katalysatorsnelheden dramatisch versnellen, " zei Paul Dauenhauer, een professor in chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota en een van de auteurs van de studie.

De katalytische snelheidslimiet, of Sabatier maximaal, is alleen toegankelijk voor enkele metaalkatalysatoren. Andere metalen die een zwakkere of sterkere binding hebben, vertonen een langzamere reactiesnelheid. Om deze reden, plots van katalysatorreactiesnelheid versus metaaltype zijn "vulkaanvormige plots" genoemd met de beste statische katalysator die in het midden op de vulkaantop bestaat.

"De beste katalysatoren moeten snel schakelen tussen sterke en zwakke bindingscondities aan beide zijden van het vulkaandiagram, " zei Alex Ardagh, postdoctoraal onderzoeker in het Catalysis Center for Energy Innovation. "Als we de bindingssterkte snel genoeg omdraaien, katalysatoren die tussen sterke en zwakke binding springen, presteren eigenlijk boven de katalytische snelheidslimiet."

Het vermogen om chemische reacties te versnellen, is rechtstreeks van invloed op duizenden chemische en materiaaltechnologieën die worden gebruikt om meststoffen te ontwikkelen, voedsel, brandstoffen, kunststoffen, en meer. In de afgelopen eeuw, deze producten zijn geoptimaliseerd met behulp van statische katalysatoren zoals ondersteunde metalen. Verbeterde reactiesnelheden kunnen de hoeveelheid apparatuur die nodig is om deze materialen te vervaardigen aanzienlijk verminderen en de totale kosten van veel alledaagse materialen verlagen.

Een drastische verbetering van de katalysatorprestaties heeft ook het potentieel om systemen voor gedistribueerde en landelijke chemische processen te verkleinen. Door kostenbesparingen in grootschalige conventionele katalysatorsystemen, de meeste materialen worden alleen vervaardigd op enorme centrale locaties zoals raffinaderijen. Snellere dynamische systemen kunnen kleinere processen zijn, die zich op het platteland kunnen bevinden, zoals boerderijen, ethanol planten, of militaire installaties.

"Dit heeft het potentieel om de manier waarop we bijna al onze meest elementaire chemicaliën produceren, volledig te veranderen. materialen, en brandstoffen, " zei professor Dionisios Vlachos, directeur van het Catalysis Center for Energy Innovation. "De overgang van conventionele naar dynamische katalysatoren zal net zo groot zijn als de overstap van gelijkstroom naar wisselstroom."