來源：《中國石油和化工產業觀察》雜誌
譯者：張星
美國明尼蘇達大學雙城分校能源研究人員近日開發出了一種被稱為催化冷凝器的裝置。它可以通過金屬表面電子改性的方式使一種金屬的性能表現得像另一種金屬，從而用作加速化學反應的催化劑。這種裝置的問世首次證明，通過電子改性具有新特性的替代材料可以使化學反應以更快、更高效的方式進行。
該發明為非貴金屬催化劑替代貴金屬催化劑用於重要化學反應鋪平了道路，例如儲存可再生能源，製造可再生燃料和製造可持續材料。
該研究結果發表在5月7日的美國化學學會期刊姊妹刊JACS Au網站上。研究團隊擁有該設備的臨時專利，並且正在與明尼蘇達大學技術商業化辦公室合作。
在上個世紀，較難進行的化學反應一直依賴於使用一些貴金屬材料作為化學反應催化劑，用來提升反應效率和產品收率。其中包括釕、鉑、銠和鈀等貴金屬。這些金屬具有獨特的電子錶面特性，這對於控制化學反應速率和產品收率至關重要。
但這些金屬價格十分昂貴。舉個例子，汽車催化轉化器經常會被盜竊，原因就是催化轉化器裡面有銠和鈀。事實上，鈀可能比黃金還貴。
在世界各地，這些昂貴的材料供不應求，已成為化工合成技術進步的主要障礙。
該團隊的研究人員依靠他們對電子在金屬表面行為的了解，成功地測試了一種理論，即在一種材料中添加和去除電子可以使一種金屬氧化物模仿出另一種材料的特性，因此可以用較為廉價的方法獲得與貴金屬具有相同催化功能的催化劑材料。
「原子其實不想改變自身的電子數量，但我們發明的催化冷凝器裝置可以調整催化劑表面的電子數量。」麥克阿瑟研究員、明尼蘇達大學化學工程和材料科學教授保羅·道恩豪爾說，「這為控制化學反應並使更多材料扮演貴重材料的角色提供了一個全新的機會。」
該款催化冷凝器使用納米薄膜的組合來移動和穩定催化劑表面的電子。這種設計具有將金屬和金屬氧化物與石墨烯結合的獨特機制，以實現快速電子流動。
「利用各種薄膜技術，我們將一種由低成本且來源豐富的鋁金屬製成的納米級氧化鋁薄膜與石墨烯相結合，然後對其進行調整，使其具有貴金屬材料的特性。」參與該技術研發的明尼蘇達大學一位博士後研究員說。
作為一個平台設備，該催化冷凝器設計具有廣泛的實用性。這種多功能性來自其納米製造技術。該技術可將石墨烯用作活性表層的有效成分，穩定電子的能力可以通過強絕緣內層的不同組成來調節。
該器件的活性層還可以將任何基礎的催化劑材料與其他添加劑結合在一起，然後可以對其進行調整以達到貴金屬催化材料的催化性能。
「催化冷凝器是一種平台技術，可以實現許多新材料的製造。」明尼蘇達大學化學工程與材料科學系主任兼研究團隊成員丹·弗里斯比說，「核心設計和創新組合可以應用於我們能想像的幾乎任何化學成分。」
該團隊表示，他們將推進繼續催化冷凝器的研究，將其應用於更廣泛的領域，降低高效催化技術的應用成本，以解決一些重要的化工產業可持續發展和環境保護問題。
在美國能源部和美國國家科學基金會的財政支持下，利用該催化冷凝器技術的幾個項目已經在進行中，例如將可再生電力儲存為氨，合成可再生塑料中的關鍵成分，以及處理各種污染性廢氣。
