来源：《中国石油和化工产业观察》杂志
译者：张星
美国明尼苏达大学双城分校能源研究人员近日开发出了一种被称为催化冷凝器的装置。它可以通过金属表面电子改性的方式使一种金属的性能表现得像另一种金属，从而用作加速化学反应的催化剂。这种装置的问世首次证明，通过电子改性具有新特性的替代材料可以使化学反应以更快、更高效的方式进行。
该发明为非贵金属催化剂替代贵金属催化剂用于重要化学反应铺平了道路，例如储存可再生能源，制造可再生燃料和制造可持续材料。
该研究结果发表在5月7日的美国化学学会期刊姊妹刊JACS Au网站上。研究团队拥有该设备的临时专利，并且正在与明尼苏达大学技术商业化办公室合作。
在上个世纪，较难进行的化学反应一直依赖于使用一些贵金属材料作为化学反应催化剂，用来提升反应效率和产品收率。其中包括钌、铂、铑和钯等贵金属。这些金属具有独特的电子表面特性，这对于控制化学反应速率和产品收率至关重要。
但这些金属价格十分昂贵。举个例子，汽车催化转化器经常会被盗窃，原因就是催化转化器里面有铑和钯。事实上，钯可能比黄金还贵。
在世界各地，这些昂贵的材料供不应求，已成为化工合成技术进步的主要障碍。
该团队的研究人员依靠他们对电子在金属表面行为的了解，成功地测试了一种理论，即在一种材料中添加和去除电子可以使一种金属氧化物模仿出另一种材料的特性，因此可以用较为廉价的方法获得与贵金属具有相同催化功能的催化剂材料。
“原子其实不想改变自身的电子数量，但我们发明的催化冷凝器装置可以调整催化剂表面的电子数量。”麦克阿瑟研究员、明尼苏达大学化学工程和材料科学教授保罗·道恩豪尔说，“这为控制化学反应并使更多材料扮演贵重材料的角色提供了一个全新的机会。”
该款催化冷凝器使用纳米薄膜的组合来移动和稳定催化剂表面的电子。这种设计具有将金属和金属氧化物与石墨烯结合的独特机制，以实现快速电子流动。
“利用各种薄膜技术，我们将一种由低成本且来源丰富的铝金属制成的纳米级氧化铝薄膜与石墨烯相结合，然后对其进行调整，使其具有贵金属材料的特性。”参与该技术研发的明尼苏达大学一位博士后研究员说。
作为一个平台设备，该催化冷凝器设计具有广泛的实用性。这种多功能性来自其纳米制造技术。该技术可将石墨烯用作活性表层的有效成分，稳定电子的能力可以通过强绝缘内层的不同组成来调节。
该器件的活性层还可以将任何基础的催化剂材料与其他添加剂结合在一起，然后可以对其进行调整以达到贵金属催化材料的催化性能。
“催化冷凝器是一种平台技术，可以实现许多新材料的制造。”明尼苏达大学化学工程与材料科学系主任兼研究团队成员丹·弗里斯比说，“核心设计和创新组合可以应用于我们能想象的几乎任何化学成分。”
该团队表示，他们将推进继续催化冷凝器的研究，将其应用于更广泛的领域，降低高效催化技术的应用成本，以解决一些重要的化工产业可持续发展和环境保护问题。
在美国能源部和美国国家科学基金会的财政支持下，利用该催化冷凝器技术的几个项目已经在进行中，例如将可再生电力储存为氨，合成可再生塑料中的关键成分，以及处理各种污染性废气。
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