催化炼金术就是用一种装置把一种金属转化成另一种金属

美国科学家发明了一种可以微调催化剂性质的新仪器。这种“催化电容器”只需改变外加电压，就能使廉价而丰富的金属表现得像更昂贵的金属一样。有了这种新装置，现在还可以绕过控制每种催化剂的“速度限制”，为能源研究和其他令人兴奋的领域开辟了新的机会。

保罗Dauenhauer明尼苏达大学的教授解释说，催化电容器在催化剂膜中积累电子或空穴，从而改变其电子和催化性能。他说:“我们现在可以和化学反应发生的速度一样快或更快地改变催化剂。”

传统上，催化剂是金属和金属氧化物，它们是静态的。道恩豪尔说:“在几个月甚至几年的时间里，它们的表面会发生反应。”“这些催化剂对产物的速度和选择性有内在的限制。他指出，到目前为止，像从水中制氢或合成氨这样的重要反应都受到了生物技术的限制Sabatier原则，即催化剂和底物之间的相互作用必须非常精确，才能使催化剂有效。“我们已经有了可以达到这一速度限制的材料，但其反应速度太慢，无法应用于解决气候变化等问题所需的技术。”

这种新型催化电容器允许电子高速地从材料表面添加和移除。Dauenhauer指出:“催化剂现在可以通过电子表盘快速设计，而不是昂贵、缓慢、反复的合成、表征和测试。”这是催化剂研究的一个全新维度。”

该设备有四个关键部件。从硅片开始，研究人员首先在硅片上生长了一层薄薄的电绝缘氧化铪层，然后添加了导电石墨烯片，最后沉积了催化剂本身——在这种情况下，是氧化铝薄膜。“通过在导电硅片和石墨烯/催化剂层之间施加电压差，电子积聚在一侧，空穴积聚在另一侧。当你在催化剂层中有足够的电子或空穴时，材料就会具有新的催化性能，”Dauenhauer解释道。“在铝-石墨烯催化电容器的例子中，每一个可能发生化学反应的地方，催化剂中大约有12%的电子被移除——这是电子性质的巨大变化。”

仪器是建立在催化共振理论这是Dauenhauer和同事在2019年开发的，并预测如果催化剂本身可以随时间变化，则可以实现远远超过萨巴蒂尔极限的速率。“由于电子在石墨烯等材料中移动迅速，目前的设备可以在1000赫兹的频率下工作，”道恩豪尔说。“作为一个平台设备，冷凝器可以有任何金属和数百种可能的金属氧化物的活性表面，这为数千种化学制造应用的动态操作催化剂打开了大门。”他提到，这已经在氨合成反应的计算模型中得到了证明。

“在使用廉价、低活性和低选择性的催化剂时，改变一种金属的作用方式是有益的，”他说坎迪斯Leslie Gilliard-AbdulAziz他没有参与这项研究。“在试图用镍、铁或钴等成本较低的过渡金属取代铂、铱和铑等昂贵的贵金属催化剂时，这往往是一个问题。”

Dauenhauer补充说，催化冷凝器是可编程的。“我们可以通过在电压中施加正弦振荡来在两种不同的状态之间切换催化剂，但更复杂的程序也是可能的。”在未来，我们将共同创造和优化冷凝器和程序，以实现先进的化学控制。”