突破化学反应速度极限的新技术，可大大降低化肥等行业的成本_风闻

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编译／雷鑫宇 审稿／阿淼 责编／唐林芳

研究人员开发了“振荡催化”技术，该技术可突破化学反应速率极限，显著降低化学反应成本。

新技术有望加快数千种化学反应的速度，并降低其成本。

phys.org网站近日报道，权威期刊《美国化学会·催化》网络版发文称，美国明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究人员发现了一种新技术，可以让化学反应的速度突破极限，最高可达上万倍。这一发现对于提高涉及化肥、食品、燃料和塑料等的数千种化学反应速度、降低反应成本有重要意义。

为加速化学反应的进行，化学家们通常会使用催化剂。虽然催化剂可以显著提升化学反应速度，但也会受到萨巴蒂尔原理的限制。萨巴蒂尔原理指出，理想的催化剂旨在完美地平衡化学反应，反应既不能太强，也不能太弱，而应该“恰到好处”。自萨巴蒂尔原理在1960年定量建立以来，萨巴蒂尔最大值一直是催化速率的极限。

由美国能源部资助，能源创新催化中心的研究人员发现，通过对催化剂施加波作用，可以制造出“振荡催化剂”，从而打破速度限制。

波包含波峰和波谷，当波作用于催化剂时，振荡催化剂可使化学反应的两部分以不同的速率独立进行。当波与化学反应的固有频率相互匹配时，反应速率将因为“共振”机制的作用而极速上升。明尼苏达大学化学工程与材料科学教授、论文作者Paul Dauenhauer说：“很早以前，我们就意识到催化剂需要随着化学反应的进行而变化。在本研究中，我们发现千赫兹至兆赫兹的频率有显著加速作用。”

萨巴蒂尔最大值理论只用于少数金属催化剂。催化剂反应速率与金属类型的关系图被称为“火山图”。最理想的静态催化剂位于火山峰顶的正中间位置。能源创新催化中心的博士后学者Alex Ardagh解释说：“理想的催化剂需要能在位于火山图两侧的强结合条件和弱结合条件之间快速切换。如果我们翻转结合强度的速度足够快，那么在强结合和弱结合之间‘跳跃’的催化剂就能突破催化速度限制。”

为化学反应加速直接影响到多领域、数千种技术的开发和应用。化肥、食品和燃料等行业已经大量优先使用了负载金属等静态催化剂。如果反应速度能进一步提高，这类行业的成本将大大降低。此外，提高催化剂性能，对改善分布式生产地点的产能也有巨大帮助。

能源创新催化中心主任Dionisios Vlachos教授说：“振荡催化剂有可能彻底改变基本化学品的生产方式。传统催化剂向动态催化剂转变的意义，不亚于直流电向交流电的转变意义。”

来源：《美国化学会·催化》

期刊编号：2155-5435

原文链接：https://phys.org/news/2019-05-energy-catalytic-limit.html

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