只需一点电力，麻省理工学院的研究人员就可以促进常见的催化反应

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加工反应的效率提高100,000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。

麻省理工学院研究生Karl Westendorff，Yogesh Surendranath教授和Yuriy Roman-Leshkov教授以及另外两人今天在《 科学》杂志上报道了这一令人惊讶的发现。

“结果真的很惊人，”化学和化学工程教授Surendranath说。以前已经看到过这种幅度的速率增加，但在另一类称为氧化还原半反应的催化反应中，它涉及电子的增益或损失。他说，新研究中报告的急剧增加的速率“从未被观察到不涉及氧化或还原的反应”。

麻省理工学院团队研究的非氧化还原化学反应是由酸催化的。“如果你是化学系的一年级学生，你学到的第一种催化剂可能是酸催化剂，”Surendranath说。有数百种这样的酸催化反应，“它们在从石化原料加工到制造商品化学品再到药品转化的所有方面都非常重要。这样的例子不胜枚举。

“这些反应是制造我们每天使用的许多产品的关键，”化学工程和化学教授Roman-Leshkov补充道。

但是，研究氧化还原半反应（也称为电化学反应）的人与研究非氧化还原化学反应（称为热化学反应）的人属于完全不同的研究社区。因此，尽管新研究中使用的技术涉及施加较小的外部电压，在电化学研究界广为人知，但它尚未系统地应用于酸催化的热化学反应。

Surendranath说，从事热化学催化工作的人“通常不会考虑”催化剂表面电化学势的作用，“而且他们通常没有很好的方法来测量它。这项研究告诉我们的是，相对较小的变化，大约几百毫伏，可以产生巨大的影响 – 这些表面催化反应速率的几个数量级变化。

“这个被忽视的表面电位参数是我们应该非常关注的，因为它可以产生非常非常大的影响，”他说。“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，这会影响反应所需的能量。但新的研究结果表明，静电环境“在确定反应速率方面同样重要”。

该团队已经就该工艺的某些部分提交了临时专利申请，并正在研究将研究结果应用于特定化学工艺的方法。Westendorff说，他们的研究结果表明，“我们应该设计和开发不同类型的反应堆来利用这种策略。我们现在正在努力扩大这些系统的规模。

虽然到目前为止，他们的实验是用二维平面电极完成的，但大多数工业反应都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多的表面积。“我们正在研究目前在工业中如何进行催化，以及我们如何设计利用现有基础设施的系统，”Westendorff说。

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？电化学势在其他反应类别中是否也起着关键作用？在我们看来，这重塑了我们对设计催化剂和促进其反应性的思考方式。

Roman-Leshkov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几乎没有互动，但Surendranath说，“这项研究向社区表明，两者之间的界限确实模糊不清，并且这两个社区之间的交叉受精存在巨大的机会。

Westerndorff补充说，要让它发挥作用，“你必须设计一个对任何一个社区来说都是非常规的系统，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，就连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“在此之前这两种意识形态有多么不同”有关。“这不仅仅是因为人们之间没有真正交谈。两个社区进行实验的方式在方法论上存在深刻的差异。我们认为，这项工作确实是朝着弥合两者迈出的一大步。

该团队说，在实践中，这些发现可能会导致各种化学材料的生产效率更高。“你可以用很少的能量输入获得几个数量级的速率变化，”Surendranath说。“这就是它的神奇之处。”

他说，这些发现“更全面地了解了界面催化反应的工作原理，无论你是要把它们归入电化学反应还是热化学反应的范畴。他补充说，“你很少能找到真正修改我们对表面催化反应的基本理解的东西。我们非常兴奋。

“这项研究的质量最高，”希腊帕特雷大学工程学教授科斯塔斯·瓦耶纳斯（Costas Vayenas）说，他与这项研究无关。他说，这项工作“在实际应用中非常有前途，特别是因为它扩展了以前在氧化还原催化系统中的相关工作。

该团队包括麻省理工学院博士后Max Hulsey博士（22岁）和研究生Thejas Wesley博士（23岁），并得到了空军科学研究办公室和美国能源部基础能源科学部的支持。