Предел скорости катализа увеличили в десять тысяч раз

SLAC National Accelerator Laboratory

Команда исследователей из Университета Миннесоты и Массачусетского университета в Амхерсте открыла новую технологию, которая позволяет превзойти текущий предел скорости реакции и увеличить скорость каталитических процессов в десять тысяч раз. Эти результаты могут снизить стоимость тысяч химических процессов, используемых при создании удобрений, продуктов питания, топлива и пластмасс. Статья ученых опубликована в журнале ACS Catalysis.

Многие химические реакции идут очень медленно из-за того, что для начала процесса им необходимо большое количество энергии. Для ускорения химических реакций применяются специальные материалы — катализаторы. Они не расходуются в реакции, но понижают энергию, которая необходима для начала процесса. Катализаторы используются в огромном количестве производственных процессов, а некоторые соединения из этого класса ускоряют биохимические реакции в живых организмах.

Реакция, происходящая на поверхности катализатора, такого как металл, ускоряется, но она не может идти быстрее, чем это разрешено принципом Сабатье. Согласно ему, взаимодействие между катализатором и подложкой должно быть «правильным» — то есть не слишком сильным и не слишком слабым. Если взаимодействие слишком слабое, то субстрат не сумеет связаться с катализатором и никакая реакция не произойдет. Если взаимодействие слишком сильное, продукт реакции не сможет уйти в реакционную среду, освободив место на поверхности катализатора. Исходя из этого принципа, для каждого вещества можно экспериментально установить такую энергию активации процесса, которая будет оптимальной.

Исследователи Центра катализа энергетических инноваций, финансируемого Министерством энергетики США, обнаружили, что они могут нарушить ограничение скорости, используя волны для создания осциллирующего катализатора. Волна имеет верхнюю и нижнюю части, и поэтому она позволяет двум процессам (связыванию молекул реагентов с поверхностью и отрыву от нее готовых продуктов реакции) протекать независимо на различных скоростях. Когда волна, приложенная к поверхности катализатора, соответствовала частоте химической реакции, скорость резко возросла благодаря резонансу.

«Мы давно поняли, что катализаторы должны меняться со временем, и оказалось, что частоты от килогерц до мегагерц резко поднимают возможный предел скорости химических реакций в жидкой среде», — рассказал один из авторов исследования, профессор химической технологии и материаловедения в Университете Миннесоты Пол Дауэнхауэр.

Способность ускорять химические реакции позволяет создавать множество соединений для промышленности и техники, а также продуктов питания, топлива, пластмасс и так далее. В прошлом веке люди получали эти продукты с помощью статических катализаторов, таких как металлы на носителе. Повышение скорости реакции может значительно сократить количество оборудования, необходимого для производства этих материалов, и снизить общие затраты на многие бытовые материалы.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.