由明尼苏达大学双城分校领导的一个能源研究小组开发了一个突破性的装置，该装置通过电子方式将一种金属转化为另一种金属的行为，使其可以作为催化剂用于加速化学反应。这个被称为“催化冷凝器 ”的装置首次证明，通过电子方式改变的替代材料可以提供新的特性，从而使化学处理更快、更有效。
该发明为使用非贵金属催化剂的新催化技术铺平了道路，这些技术可用于储存可再生能源、制造可再生燃料和制造可持续材料等重要应用。
这项研究在线发表在美国化学会领先的开放性期刊《JACS Au》上。该团队拥有该装置的临时专利，并正在与明尼苏达大学技术商业化办公室合作。
上个世纪，化学加工一直依赖于使用特定的材料来促进我们日常生活中使用的化学品和材料的制造。其中许多材料，包括贵金属，如钌、铂、铑和钯，具有独特的电子表面特性。因为它们既可以作为金属，也可以作为金属氧化物，所以对于控制化学反应至关重要。
一般公众可能最熟悉这个概念，因为汽车上的催化转换器被盗的情况增加了。催化转化器之所以有价值，是因为里面有铑和钯。事实上，钯金可能比黄金还贵。这些昂贵的材料在世界各地往往供不应求，并已成为技术进步的一个主要障碍。
为了开发这种调整替代材料的催化性能的方法，研究人员依靠他们对电子在表面的行为方式的了解。该团队成功地测试了一个理论，即向一种材料添加和移除电子可以将金属氧化物变成模仿另一种材料的特性。
“原子确实不想改变它们的电子数量，但是我们发明了催化冷凝器装置，使我们能够调整催化剂表面的电子数量，”领导研究小组的麦克阿瑟研究员、明尼苏达大学化学工程和材料科学教授Paul Dauenhauer说。“这为控制化学和使丰富的材料像贵重的材料一样发挥作用开辟了一个全新的机会。”
催化冷凝器装置使用纳米薄膜的组合，在催化剂的表面移动和稳定电子。这种设计具有独特的机制，将金属和金属氧化物与石墨烯结合起来，使快速的电子流与可调整的化学表面相结合。
“利用各种薄膜技术，我们将由低成本的丰富的金属铝制成的纳米级氧化铝薄膜与石墨烯相结合，然后我们能够对其进行调整，使其具有其他材料的特性，”明尼苏达大学制造和测试催化冷凝器的博士后研究人员Tzia Ming Onn说。“调整催化剂的催化和电子特性的实质性能力超出了我们的预期。”
催化冷凝器的设计作为一个平台设备在一系列制造应用中具有广泛的效用。这种多功能性来自于它的纳米制造，它将石墨烯作为活性表面层的一个有利成分。该装置稳定电子的能力(或称为"空穴"的电子的缺失)是可以通过改变强绝缘内层的组成来调整的。该装置的活性层也可以加入任何基础的催化剂材料和额外的添加剂，然后可以进行调整以实现昂贵的催化材料的特性。
明尼苏达大学化学工程和材料科学系教授兼系主任、研究小组成员Dan Frisbie说：“我们认为催化冷凝器是一种平台技术，可以在大量的制造应用中实施。核心的设计见解和新颖的组件可以被修改成我们所能想象的几乎任何化学。”
该团队计划继续他们对催化冷凝器的研究，将其应用于贵金属，以解决一些最重要的可持续性和环境问题。在美国能源部和国家科学基金会的财政支持下，几个平行项目已经在进行中，以氨的形式储存可再生电力，制造可再生塑料的关键分子，以及清洁气体废物流。
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