麻省理工学院发现：只需要一点点电，就能促进常见的催化反应

麻省理工学院的研究人员报告说，一项简单的新技术可以将一些关键化学处理的效率提高10万倍。这些反应是石油化工加工、制药制造和许多其他工业化学过程的核心。

　　

剑桥，麻萨诸塞州——麻省理工学院的研究人员报告说，一种使用少量能量的简单技术可以将一些关键化学处理反应的效率提高10万倍。这些反应是石化加工、制药制造和许多其他工业化学过程的核心。

这一惊人的发现发表在今天的《科学》杂志上，由麻省理工学院的研究生Karl Westendorff、Yogesh Surendranath和Yuriy Roman-Leshkov教授以及另外两人共同撰写。

化学和化学工程教授Surendranath说:“结果非常惊人。”这种程度的速率增长以前也见过，但发生在另一类催化反应中，即氧化还原半反应，这种反应涉及电子的获得或损失。他说，新研究中报告的急剧增加的速率“从未在不涉及氧化或还原的反应中观察到”。

麻省理工学院研究小组研究的非氧化还原化学反应是由酸催化的。Surendranath说:“如果你是一年级化学专业的学生，你学到的第一种催化剂可能是酸性催化剂。”有数百种这样的酸催化反应，”它们在从加工石化原料到制造商品化学品再到药品转化的各个方面都非常重要。这样的例子不胜枚举。”

化学工程和化学教授罗曼-列什科夫补充说:“这些反应是制造我们日常使用的许多产品的关键。”

但是研究氧化还原半反应，也就是电化学反应的人，与研究非氧化还原化学反应，也就是热化学反应的人，是完全不同的研究群体的一部分。因此，尽管在这项新研究中使用的技术，需要施加一个小的外部电压，在电化学研究界是众所周知的，但它还没有被系统地应用于酸催化的热化学反应。

Surendranath说，研究热化学催化的人“通常不考虑”催化剂表面电化学电位的作用，“而且他们通常没有好的方法来测量它。”这项研究告诉我们，相对较小的变化，几百毫伏的量级，可以产生巨大的影响，这些表面催化反应速率的数量级变化。”

他说:“这个被忽视的表面电位参数是我们应该多加注意的，因为它会产生非常非常大的影响。”“它改变了我们对催化的看法。”

他说，化学家传统上认为表面催化是基于分子与表面活性位点的化学结合能，这影响了反应所需的能量。但新的发现表明，静电环境“在确定反应速率方面同样重要”。

该团队已经就该过程的部分内容提交了临时专利申请，并正在研究将这些发现应用于特定化学过程的方法。韦斯顿多夫说，他们的发现表明，“我们应该设计和开发不同类型的反应堆，以利用这种策略。”我们现在正在努力扩大这些系统的规模。”

到目前为止，他们的实验是在二维平面电极上完成的，而大多数工业反应是在充满粉末的三维容器中进行的。催化剂分布在这些粉末中，为反应的发生提供了更大的表面积。Westendorff说:“我们正在研究催化目前在工业上是如何完成的，以及我们如何设计利用现有基础设施的系统。”

Surendranath补充说，这些新发现“提出了诱人的可能性:这是一个更普遍的现象吗?”电化学电位在其他反应类别中也起关键作用吗?在我们看来，这改变了我们对设计催化剂和促进其反应性的看法。”

罗曼-列什科夫补充说:“传统上，从事热化学催化工作的人根本不会将这些反应与电化学过程联系起来。然而，将这一观点引入社区将重新定义我们如何将电化学特性整合到热化学催化中。这将对整个社区产生重大影响。”

虽然电化学和热化学催化研究人员之间通常很少有相互作用，但Surendranath说:“这项研究表明，这两者之间的界限确实是模糊的，这两个群体之间存在着巨大的交叉受精机会。”

韦斯特多夫补充说，为了使其发挥作用，“你必须设计一个对任何一个社区都非常非常规的系统，以隔离这种影响。”这有助于解释为什么以前从未见过如此戏剧性的效果。他指出，甚至他们论文的编辑也问他们，为什么以前没有报道过这种效应。他说，答案与“这两种意识形态在此之前是多么不同”有关。“这不仅仅是因为人们不真正相互交谈。这两个群体在进行实验的方法上存在着深刻的差异。我们认为，这项工作确实是连接这两者的重要一步。”

研究小组说，在实践中，这些发现可能会导致更有效地生产各种化学材料。Surendranath说:“你可以在很少的能量输入下获得数量级的速率变化。”“这就是它的神奇之处。”

他说，这些发现“建立了一个更全面的界面催化反应如何工作的图景，而不管你是把它们归入电化学反应还是热化学反应的范畴。”他补充说:“你很少能找到一些能真正改变我们对表面催化反应的基本理解的东西。我们非常兴奋。”