由明尼蘇達大學雙城分校領導的一個能源研究小組開發了一個突破性的裝置，該裝置通過電子方式將一種金屬轉化為另一種金屬的行為，使其可以作為催化劑用於加速化學反應。這個被稱為“催化冷凝器 ”的裝置首次證明，通過電子方式改變的替代材料可以提供新的特性，從而使化學處理更快、更有效。
該發明為使用非貴金屬催化劑的新催化技術鋪平了道路，這些技術可用於儲存可再生能源、製造可再生燃料和製造可持續材料等重要應用。
這項研究在線發表在美國化學會領先的開放性期刊《JACS Au》上。該團隊擁有該裝置的臨時專利，並正在與明尼蘇達大學技術商業化辦公室合作。
上個世紀，化學加工一直依賴於使用特定的材料來促進我們日常生活中使用的化學品和材料的製造。其中許多材料，包括貴金屬，如釕、鉑、銠和鈀，具有獨特的電子錶面特性。因為它們既可以作為金屬，也可以作為金屬氧化物，所以對於控制化學反應至關重要。
一般公眾可能最熟悉這個概念，因為汽車上的催化轉換器被盜的情況增加了。催化轉化器之所以有價值，是因為裡面有銠和鈀。事實上，鈀金可能比黃金還貴。這些昂貴的材料在世界各地往往供不應求，並已成為技術進步的一個主要障礙。
為了開發這種調整替代材料的催化性能的方法，研究人員依靠他們對電子在表面的行為方式的了解。該團隊成功地測試了一個理論，即向一種材料添加和移除電子可以將金屬氧化物變成模仿另一種材料的特性。
“原子確實不想改變它們的電子數量，但是我們發明了催化冷凝器裝置，使我們能夠調整催化劑表面的電子數量，”領導研究小組的麥克阿瑟研究員、明尼蘇達大學化學工程和材料科學教授Paul Dauenhauer說。“這為控制化學和使豐富的材料像貴重的材料一樣發揮作用開闢了一個全新的機會。”
催化冷凝器裝置使用納米薄膜的組合，在催化劑的表面移動和穩定電子。這種設計具有獨特的機制，將金屬和金屬氧化物與石墨烯結合起來，使快速的電子流與可調整的化學表面相結合。
“利用各種薄膜技術，我們將由低成本的豐富的金屬鋁製成的納米級氧化鋁薄膜與石墨烯相結合，然後我們能夠對其進行調整，使其具有其他材料的特性，”明尼蘇達大學製造和測試催化冷凝器的博士后研究人員Tzia Ming Onn說。“調整催化劑的催化和電子特性的實質性能力超出了我們的預期。”
催化冷凝器的設計作為一個平台設備在一系列製造應用中具有廣泛的效用。這種多功能性來自於它的納米製造，它將石墨烯作為活性表面層的一個有利成分。該裝置穩定電子的能力（或稱為”空穴”的電子的缺失）是可以通過改變強絕緣內層的組成來調整的。該裝置的活性層也可以加入任何基礎的催化劑材料和額外的添加劑，然後可以進行調整以實現昂貴的催化材料的特性。
明尼蘇達大學化學工程和材料科學系教授兼系主任、研究小組成員Dan Frisbie說：“我們認為催化冷凝器是一種平台技術，可以在大量的製造應用中實施。核心的設計見解和新穎的組件可以被修改成我們所能想象的幾乎任何化學。”
該團隊計劃繼續他們對催化冷凝器的研究，將其應用於貴金屬，以解決一些最重要的可持續性和環境問題。在美國能源部和國家科學基金會的財政支持下，幾個平行項目已經在進行中，以氨的形式儲存可再生電力，製造可再生塑料的關鍵分子，以及清潔氣體廢物流。