逆轉(zhuǎn)氧化!光照讓納米銅變身超級(jí)催化劑

環(huán)氧丙烷的化學(xué)式?？此品浅：?jiǎn)單，但要讓氧氣與丙烯直接生成環(huán)氧丙烷卻十分困難，科學(xué)家一直在尋找合適的催化劑。只要用白光一照，你那生銹的老28自行車(chē)就能煥然一新，這種近乎YY小說(shuō)的事兒是不是聽(tīng)著很不靠譜？但密歇根大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，我們的確可以通過(guò)光線來(lái)逆轉(zhuǎn)納米級(jí)金屬銅粒子的氧化過(guò)程，而且這一原理還可以用來(lái)改進(jìn)一種重要化學(xué)物質(zhì)——環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝，使其變得更加環(huán)保和高效?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象，有著非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。”該研究的領(lǐng)導(dǎo)者，密歇根大學(xué)化學(xué)工程助理教授SuljoLinic說(shuō)道。他們的研究論文已經(jīng)于今天發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。納米銅所具有的這種獨(dú)特的擺脫氧原子的能力讓它成為了一種重要反應(yīng)的催化劑，即氧分子與丙烯分子結(jié)合成為環(huán)氧丙烷的反應(yīng)。環(huán)氧丙烷是一種十分重要的化學(xué)物質(zhì)，可以用來(lái)制造多種塑料、化妝品和家居用品，比如防凍劑、油漆和絕緣泡沫。僅在美國(guó)，每年對(duì)環(huán)氧丙烷的需求量就高達(dá)240萬(wàn)噸，價(jià)值高達(dá)49億美元。但不幸的是，環(huán)氧丙烷的制造流程非常復(fù)雜，需要一系列的中間反應(yīng)，而這會(huì)產(chǎn)生大量的冗余化學(xué)物質(zhì)。通常，制造一噸環(huán)氧丙烯會(huì)伴隨著兩噸各種鹽。如果有一種催化劑能夠讓氧與丙烯直接生成環(huán)氧丙烷，那么它就可以稱(chēng)得上是催化劑界的“圣杯”。在這之前，科學(xué)家也曾發(fā)現(xiàn)金屬銅可以扮演這一角色，但又一不幸的是，銅自身也會(huì)與氧氣反應(yīng)生成氧化銅，而氧化銅是無(wú)法用來(lái)當(dāng)催化劑的。

“金屬形式的銅有著非常獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，可以為氧氣與丙烯的反應(yīng)激活一條捷徑?！北疚牡牡谝蛔髡?，密歇根大學(xué)研究生MarimuthuAndiappan說(shuō)道。金屬銅更“喜歡”讓氧氣與丙烯直接結(jié)合，而銅的氧化物卻傾向于將丙烯分解為二氧化碳，或者只給其中一個(gè)碳原子加上氧分子，生成丙烯醛。研究人員拿著他們研制出來(lái)的銅催化劑樣本。供圖：JosephXu幸好，研究人員發(fā)現(xiàn)，只要稍微改變一下銅的原子結(jié)構(gòu)，就能用光照逆轉(zhuǎn)銅的氧化過(guò)程。他們將銅制造成直徑約為40納米的納米粒子（大約是蛛絲的百分之一），然后加入了一些純凈的二氧化硅微粒，之后用其催化氧氣和丙烯氣體的反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，在黑暗中銅會(huì)像往常一樣發(fā)生氧化，只有20%左右的氣體反應(yīng)生成了環(huán)氧丙烷，但在五倍于陽(yáng)光的白光照射下，銅粒子保持在了金屬狀態(tài)，并且將50%的丙烯氣體催化成了環(huán)氧丙烷。

研究人員利用這個(gè)裝置進(jìn)行反應(yīng)測(cè)試。中間的小圓盤(pán)中裝有催化劑，氧氣與丙烯氣體分別通過(guò)兩個(gè)管道輸入，光線從頂部照射。供圖：JosephXu"就我們所知，這是人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)光線可以用來(lái)逆轉(zhuǎn)金屬的氧化過(guò)程疽'Andiappan說(shuō)道。在光照下，氧化銅表面下方的銅粒子會(huì)聚集光線，并且釋放銅原子中的電子，從而打破外層銅原子與氧原子的結(jié)合。而且，這一發(fā)現(xiàn)會(huì)讓環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)過(guò)程變得非常環(huán)保?！袄碚撋险f(shuō)，我們只要通過(guò)鏡子來(lái)增強(qiáng)光照強(qiáng)度就可以了。'Andiappan補(bǔ)充道?！澳?/p>