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Energieforscher durchbrechen die katalytische Geschwindigkeitsbegrenzung

31.05.2019

Ein Forscherteam der University of Minnesota und der University of Massachusetts Amherst hat eine neue Technologie entdeckt, die chemische Reaktionen 10.000 Mal schneller als die aktuelle Reaktionsgeschwindigkeitsgrenze beschleunigen kann. Diese Ergebnisse könnten die Geschwindigkeit erhöhen und die Kosten für Tausende von chemischen Prozessen senken, die bei der Entwicklung von Düngemitteln, Lebensmitteln, Kraftstoffen, Kunststoffen und mehr eingesetzt werden.

In chemischen Reaktionen verwenden Wissenschaftler sogenannte Katalysatoren, um Reaktionen zu beschleunigen. Eine Reaktion, die auf einer Katalysatoroberfläche, wie beispielsweise einem Metall, stattfindet, wird sich beschleunigen, kann aber nur so schnell ablaufen, wie es das so genannte Sabatier-Prinzip erlaubt. Der bestmögliche Katalysator, der oft als "Goldilocks-Prinzip" der Katalyse bezeichnet wird, zielt darauf ab, zwei Teile einer chemischen Reaktion perfekt auszugleichen. Reagierende Moleküle sollten an einer Metalloberfläche haften bleiben, um weder zu stark noch zu schwach, sondern "genau richtig" zu reagieren. Seitdem dieses Prinzip 1960 quantitativ etabliert wurde, ist das Sabatier-Maximum das katalytische Geschwindigkeitslimit geblieben.

Forscher des Katalysezentrums für Energieinnovation, das vom US-Energieministerium finanziert wird, fanden heraus, dass sie die Geschwindigkeitsbegrenzung überschreiten könnten, indem sie Wellen auf den Katalysator anwenden, um einen oszillierenden Katalysator zu erzeugen. Die Welle hat einen oberen und einen unteren Teil, und wenn sie angewendet wird, ermöglicht sie es, dass beide Teile einer chemischen Reaktion unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen. Wenn die auf die Katalysatoroberfläche aufgebrachte Welle der Eigenfrequenz einer chemischen Reaktion entsprach, stieg die Rate über einen Mechanismus namens "Resonanz" dramatisch an.

"Wir haben früh erkannt, dass sich Katalysatoren mit der Zeit ändern müssen, und es stellt sich heraus, dass Kilohertz-zu-Megahertz-Frequenzen die Katalysatorraten dramatisch beschleunigen", sagte Paul Dauenhauer, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota und einer der Autoren der Studie.

Die katalytische Geschwindigkeitsbegrenzung oder Sabatier-Maximum ist nur für wenige Metallkatalysatoren zugänglich. Andere Metalle, die eine schwächere oder stärkere Bindung aufweisen, weisen eine langsamere Reaktionsrate auf. Aus diesem Grund wurden Plots der Katalysatorreaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zum Metalltyp als "vulkanförmige Plots" bezeichnet, wobei der beste statische Katalysator in der Mitte auf dem Vulkangipfel vorhanden ist.

"Die besten Katalysatoren müssen schnell zwischen starken und schwachen Bindungsbedingungen auf beiden Seiten des Vulkandiagramms wechseln", sagt Alex Ardagh, Postdoc-Spezialist im Katalysezentrum für Energieinnovation. "Wenn wir die Bindungsstärke schnell genug umdrehen, liegen Katalysatoren, die zwischen starker und schwacher Bindung springen, tatsächlich über der katalytischen Geschwindigkeitsgrenze."

Die Fähigkeit, chemische Reaktionen zu beschleunigen, wirkt sich direkt auf Tausende von Chemikalien- und Materialtechnologien aus, die zur Entwicklung von Düngemitteln, Lebensmitteln, Kraftstoffen, Kunststoffen und mehr eingesetzt werden. Im vergangenen Jahrhundert wurden diese Produkte mit Hilfe von statischen Katalysatoren wie beispielsweise Trägermetallen optimiert. Erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten könnten die Menge der für die Herstellung dieser Materialien erforderlichen Geräte erheblich reduzieren und die Gesamtkosten vieler alltäglicher Materialien senken.

Eine drastische Verbesserung der Katalysatorleistung hat auch das Potenzial, Systeme für verteilte und ländliche chemische Prozesse zu verkleinern. Aufgrund von Kosteneinsparungen bei großen konventionellen Katalysatorsystemen werden die meisten Materialien nur an enorm zentralen Standorten wie Raffinerien hergestellt. Schnellere dynamische Systeme können kleinere Prozesse sein, die sich an ländlichen Standorten wie Bauernhöfen, Ethanolwerken oder militärischen Anlagen befinden können.

"Dies hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir fast alle unsere grundlegenden Chemikalien, Materialien und Kraftstoffe herstellen, völlig zu verändern", sagte Professor Dionisios Vlachos, Direktor des Katalysezentrums für Energieinnovation. "Der Übergang von konventionellen zu dynamischen Katalysatoren wird so groß sein wie der Wechsel von Gleich- zu Wechselstrom."

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