逆转氧化!光照让纳米铜变身超级催化剂

环氧丙烷的化学式。看似非常简单，但要让氧气与丙烯直接生成环氧丙烷却十分困难，科学 家一直在寻找合适的催化剂。只要用白光一照，你那生锈的老28自行车就能焕然一新，这种近乎YY小说的 事儿是不是听着很不靠谱？但密歇根大学的科学家们发现，我们的确可以通过光 线来逆转纳米级金属铜粒子的氧化过程，而且这一原理还可以用来改进一种重要 化学物质环氧丙烷的生产工艺，使其变得更加环保和高效。“我们发现了一种新的物理现象，有着非常重要的潜在应用价值。”该研究的领导 者，密歇根大学化学工程助理教授SuljoLinic说道。他们的研究论文已经于今天 发表在科学（Science）杂志上。纳米铜所具有的这种独特的摆脱氧原子的能力让它成为了一种重要反应的催化 剂，即氧分子与丙烯分子结合成为环氧丙烷的反应。环氧丙烷是一种十分重要的 化学物质，可以用来制造多种塑料、化妆品和家居用品，比如防冻剂、油漆和绝 缘泡沫。仅在美国，每年对环氧丙烷的需求量就高达240万吨，价值高达49亿 美元。但不幸的是，环氧丙烷的制造流程非常复杂，需要一系列的中间反应，而这会产 生大量的冗余化学物质。通常，制造一吨环氧丙烯会伴随着两吨各种盐。如果有 一种催化剂能够让氧与丙烯直接生成环氧丙烷，那么它就可以称得上是催化剂界 的“圣杯”。在这之前，科学家也曾发现金属铜可以扮演这一角色，但又一不幸的 是，铜自身也会与氧气反应生成氧化铜，而氧化铜是无法用来当催化剂的。“金属形式的铜有着非常独特的电子结构，可以为氧气与丙烯的反应激活一条捷 径。”本文的第一作者，密歇根大学研究生MarimuthuAndiappan说道。金属铜 更“喜欢”让氧气与丙烯直接结合，而铜的氧化物却倾向于将丙烯分解为二氧化碳， 或者只给其中一个碳原子加上氧分子，生成丙烯醛。研究人员拿着他们研制出来的铜催化剂样本。供图：Joseph Xu幸好，研究人员发现，只要稍微改变一下铜的原子结构，就能用光照逆转铜的氧 化过程。他们将铜制造成直径约为40纳米的纳米粒子（大约是蛛丝的百分之一）， 然后加入了一些纯净的二氧化硅微粒，之后用其催化氧气和丙烯气体的反应。研 究人员发现，在黑暗中铜会像往常一样发生氧化，只有20%左右的气体反应生 成了环氧丙烷，但在五倍于阳光的白光照射下，铜粒子保持在了金属状态，并且 将50%的丙烯气体催化成了环氧丙烷。研究人员利用这个装置进行反应测试。中间的小圆盘中装有催化剂，氧气与丙烯气体分别通过两个管道输入，光线从顶部照射。供图：Joseph Xu就我们所知，这是人类首次发现光线可以用来逆转金属的氧化过程疽Andiappan 说道。在光照下，氧化铜表面下方的铜粒子会聚集光线，并且释放铜原子中的电 子，从而打破外层铜原子与氧原子的结合。而且，这一发现会让环氧丙烷的生产 过程变得非常环保。“理论上说，我们只要通过镜子来增强光照强度就可以 了。Andiappan 补充道。“目前我们只进行了初步的探索。”Linic说，“可以预想，我们可以通过光照让许 多用传统方法无法完成的化学反应发生戏剧性的变化。”