Een team van onderzoekers van de Universiteit van Minnesota, Universiteit van Massachusetts Amherst, Universiteit van Delaware, en University of California Santa Barbara hebben oscillerende katalysatortechnologie uitgevonden die chemische reacties kan versnellen zonder nevenreacties of chemische fouten. De baanbrekende technologie kan worden geïntegreerd in honderden industriële chemische technologieën om het afval met duizenden tonnen per jaar te verminderen en tegelijkertijd de prestaties en kostenefficiëntie van de materiaalproductie te verbeteren.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Chemische Wetenschappen , het première tijdschrift van de Royal Society of Chemistry.

Bij chemische reacties, wetenschappers gebruiken zogenaamde katalysatoren om reacties te versnellen. Een chemische reactie die optreedt op een katalysatoroppervlak, zoals een metaal, zal sneller versnellen dan ongewenste nevenreacties. Wanneer de primaire reactie veel sneller is dan elke andere nevenreactie, dan is de katalysator goed in het selecteren op de meest waardevolle producten. De nevenreacties zijn fouten in de chemiecontrole, en ze resulteren in een aanzienlijke productie van verspild materiaal en economisch verlies.

Onderzoekers van het door het Amerikaanse ministerie van Energie gefinancierde Catalysis Center for Energy Innovation hadden een doorbraak toen ze zich realiseerden dat ze een nieuwe klasse katalysatoren konden ontwerpen die de primaire oppervlaktereacties met behulp van golven aanzienlijk versnelden. Wanneer de toegepaste golffrequentie en amplitude overeenkomen met kenmerken van de primaire chemie, dan wordt die reactie duizenden keren sneller dan alle andere nevenreacties. De katalysator bij deze golfcondities stopt in wezen met het maken van fouten in bijproducten.

"Alle chemische reacties hebben natuurlijke frequenties, zoals snaren op een piano of een gitaar, " zei Paul Dauenhauer, de hoofdauteur van de studie en een professor in de afdeling Chemical Engineering and Materials Science aan de University of Minnesota's College of Science and Engineering. "Als we de juiste frequentie van een gewenste katalytische reactie vinden, dan wordt de katalysator bijna perfect - de verkwistende reacties stoppen bijna volledig."

De ontdekking is van bijzonder belang voor de productie van belangrijke chemicaliën in de energie-, materialen, voedsel, en medische industrieën. De belangrijkste chemicaliën worden op grote industriële schaal vervaardigd, zodat zelfs goed ontwikkelde katalysatoren enkele bijproducten vormen, jaarlijks duizenden tonnen afval produceren.

De onderzoekers waren in staat om de relatie tussen verschillende soorten chemie en de frequenties van oppervlaktegolven die katalysatorfouten beheersen in grote lijnen te verklaren.

"Een molecuul op een oppervlak kan verschillende energiebanen afgaan, maar de oscillerende katalysator kan bijna volledig bepalen welke route het molecuul kiest, inclusief het voorkomen dat moleculen langs ongewenste energieleidingen op het katalysatoroppervlak bewegen, " zei Alex Ardagh, de eerste auteur van het onderzoekspaper en een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Minnesota.

De ontdekking van zeer selectieve, foutloze katalysatoren bouwt voort op de eerdere ontwikkeling van dynamische katalytische theorie ontwikkeld door dezelfde groep. Conventionele katalysatoren die optimale controle over katalytische reacties vertonen, hebben oppervlakte-energieën die specifiek zijn voor een bepaalde chemie. Echter, de nieuwere dynamische katalysatoren die veranderen als een golf, oscilleren bindingsenergie tussen zowel sterker en zwakker dan de conventionele oppervlakte-energie.

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