Une équipe de chercheurs de l'Université du Minnesota et de l'Université du Massachusetts Amherst a découvert une nouvelle technologie qui peut accélérer les réactions chimiques 10, 000 fois plus rapide que la limite de vitesse de réaction actuelle. Ces découvertes pourraient augmenter la vitesse et réduire le coût de milliers de procédés chimiques utilisés dans le développement d'engrais, nourriture, carburants, plastiques, et plus.

La recherche est publiée en ligne dans Catalyse ACS , une revue de premier plan de l'American Chemical Society.

Dans les réactions chimiques, les scientifiques utilisent ce qu'on appelle des catalyseurs pour accélérer les réactions. Une réaction se produisant sur une surface de catalyseur, comme un métal, va accélérer, mais il ne peut aller qu'aussi vite que le permet ce qu'on appelle le principe de Sabatier. Souvent appelé le "principe de la boucle d'or" de la catalyse, le meilleur catalyseur possible vise à équilibrer parfaitement deux parties d'une réaction chimique. Les molécules réactives doivent coller à une surface métallique pour réagir ni trop fort ni trop faiblement, mais "juste bien". Depuis que ce principe a été établi quantitativement en 1960, le maximum de Sabatier est resté la vitesse limite catalytique.

Chercheurs du Centre Catalyse pour l'Innovation Energétique, financé par le ministère américain de l'Énergie, ont découvert qu'ils pouvaient dépasser la limite de vitesse en appliquant des vagues sur le catalyseur pour créer un catalyseur oscillant. La vague a un haut et un bas, et lorsqu'il est appliqué, il permet aux deux parties d'une réaction chimique de se produire indépendamment à des vitesses différentes. Lorsque l'onde appliquée à la surface du catalyseur correspond à la fréquence naturelle d'une réaction chimique, le taux a augmenté de façon spectaculaire via un mécanisme appelé « résonance ».

"Nous avons réalisé très tôt que les catalyseurs doivent changer avec le temps, et il s'avère que les fréquences kilohertz à mégahertz accélèrent considérablement les taux de catalyseur, " a déclaré Paul Dauenhauer, professeur de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota et l'un des auteurs de l'étude.

La limite de vitesse catalytique, ou Sabatier maximum, n'est accessible que pour quelques catalyseurs métalliques. D'autres métaux qui ont une liaison plus faible ou plus forte présentent une vitesse de réaction plus lente. Pour cette raison, les tracés de la vitesse de réaction du catalyseur en fonction du type de métal ont été appelés « tracés en forme de volcan » avec le meilleur catalyseur statique existant juste au milieu au pic du volcan.

"Les meilleurs catalyseurs doivent basculer rapidement entre des conditions de liaison forte et faible des deux côtés du diagramme du volcan, " a déclaré Alex Ardagh, chercheur post-doctoral au Catalysis Center for Energy Innovation. « Si nous renversons la force de liaison assez rapidement, les catalyseurs qui sautent entre une liaison forte et faible fonctionnent en fait au-dessus de la limite de vitesse catalytique."

La capacité d'accélérer les réactions chimiques affecte directement des milliers de technologies chimiques et de matériaux utilisées pour développer des engrais, nourriture, carburants, plastiques, et plus. Au siècle dernier, ces produits ont été optimisés à l'aide de catalyseurs statiques tels que les métaux supportés. Des vitesses de réaction améliorées pourraient réduire considérablement la quantité d'équipement nécessaire pour fabriquer ces matériaux et réduire les coûts globaux de nombreux matériaux de tous les jours.

Une amélioration spectaculaire des performances du catalyseur a également le potentiel de réduire les systèmes pour les processus chimiques distribués et ruraux. En raison des économies de coûts dans les systèmes catalytiques conventionnels à grande échelle, la plupart des matériaux ne sont fabriqués que dans d'énormes sites centralisés tels que les raffineries. Les systèmes dynamiques plus rapides peuvent être des processus plus petits, qui peuvent être situés dans des zones rurales telles que des fermes, usines d'éthanol, ou des installations militaires.

"Cela a le potentiel de changer complètement la façon dont nous fabriquons presque tous nos produits chimiques les plus basiques, matériaux, et carburants, " a déclaré le professeur Dionisios Vlachos, directeur du Catalysis Center for Energy Innovation. "La transition des catalyseurs conventionnels aux catalyseurs dynamiques sera aussi importante que le passage de l'électricité à courant continu à l'électricité à courant alternatif."