要点

➤一般情况下，化学反应符合阿伦尼乌斯定律，温度越高化学反应速度越快。

➤世界首次发现低温下加快化学反应的方法，该方法通过从外部向固体催化剂施加电势实现。

早稻田大学研究生院先进理工学研究科的2年级博士生村上洸太和理工学术院的关根泰教授等组成的研究团队在世界上首次发现了从外部向固体催化剂施加电势，从而使化学反应在低温下快速进行的方法。这一新概念打破了阿伦尼乌斯定律，即一般情况下，温度越高化学反应速度越快。

本研究成果已于2020年3月13日（英国时间）在英国皇家化学会期刊《Chemical Communications》上在线发表。

本成果得到了JST未来社会创造事业的研究课题“电场中的低温按需节能氨合成”（研究开发代表：关根泰）的支持。

背景

瑞典的斯万特·奥古斯特·阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius）在1884年发现，温度越高化学反应进行得越快。这一原理即为广为人知的阿伦尼乌斯定律，该定律在高中教科书中也有提及。但是，该研究团队发现，当从外部向固体催化剂施加电势时，得到的结果与该定律相反，温度越低化学反应进行得越快，并针对其原因展开调查。

研究的内容

氨气作为化学品和运输氢的载体备受期待。通过氮气和氢气的反应制取氨气的哈伯制氨法（弗里茨·哈伯，Fritz Haber，德国化学家）已经在工业上实现了大规模应用。但是，该反应需要400度左右的高温和250个大气压左右的高压环境。

本研究团队发现，通过从外部对具有半导体特性的固体催化剂施加电势，该反应即使在200度以下的低温下也能迅速进行。同时发现，在200度以下的温度范围内，温度越低反应速度越快。

一般来说，根据阿伦尼乌斯定律，低温下的化学反应中，占优势的只有吸附现象。但是，通过研究反应速度和吸附之间的关系，发现了一种机制，即低温下的离子在催化剂表面移动时吸附现象更明显，从而加快了反应速度。这一新概念打破了化学反应速度需符合阿伦尼乌斯定律的常识。

该研究团队在能够自由控制温度的反应装置中设置自主研发的固体催化剂，并通过从外部施加电场来检测反应速度，展示了反阿伦尼乌斯定律型（不符合阿伦尼乌斯定律）的反应。在红外光谱^注）中，运用透过法和反射法，仔细评估固体催化剂表面的吸附量与电场的有无、温度差异之间的关系，构筑科学模型。最后将模型的计算结果和实验结果进行对照，证实了结果的一致性，从吸附和反应速度的关系的角度说明了反阿伦尼乌斯定律反应为何发生以及是如何发生的。

研究的涟漪效应及社会影响

利用可再生能源产生的电力，在低温下自由控制化学反应的进行，并且温度越低反应速度越快的现象，具有前所未有的新特征。这一发现使得在室温等较低的温度下自由控制物质转换成为可能，或将带来化学反应领域的范式转移。

因为在这样的机制下进行反应的例子还很有限，研究团队将利用可再生能源，进行各种创造能源或物质的化学反应，并探索能在低温下选择性加速化学反应的材料。

参考图

图1.jpg

发现在100度到200度的低温范围内，温度越低反应速度越快（不符合阿伦尼乌斯定律）。

用语说明：

注）红外光谱

向作为测定对象的物质照射红外线，将透过的光或反射的光按波长进行分光得到光谱，从而了解对象物质的特性的方法。

论文题目：

“Key factor for the anti-Arrhenius low-temperature heterogeneous catalysis induced by H+ migration: H+ coverage over support”

作者姓名：

Kota Murakami, Yuta Tanaka, Ryuya Sakai, Yudai Hisai, Sasuga Hayashi, Yuta Mizutani, Takuma Higo, Shuhei Ogo, Jeong Gil Seo, Hideaki Tsuneki, Yasushi Sekine

翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

参考日本报道原文：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200313/index.html

世界首次发现｜低温下加快化学反应的方法