逆轉氧化

科學家發現，不僅可以用光照使生鏽的銅恢復原狀，還可以藉此將納米銅粒子變成生產環氧丙烷的“超級催化劑”。這個過程叫做逆轉氧化。

基本介紹

• 中文學名：逆轉氧化
• 界：原生生物界

逆轉金屬氧化

只要用白光一照，生鏽的腳踏車就能煥然一新，這種近乎小說的事兒聽著很不靠譜，但密西根大學的科學家們發現，我們的確可以通過光線來逆轉納米級金屬銅粒子的氧化過程，而且這一原理還可以用來改進一種重要化學物質——環氧丙烷的生產工藝，使其變得更加環保和高效。

“我們發現了一種新的物理現象，有著非常重要的潛在套用價值。”該研究的領導者，密西根大學化學工程助理教授Suljo Linic說道。他們的研究論文已經於今天發表在《科學》（Science）雜誌上。

納米銅所具有的這種獨特的擺脫氧原子的能力讓它成為了一種重要反應的催化劑，即氧分子與丙烯分子結合成為環氧丙烷的反應。環氧丙烷是一種十分重要的化學物質，可以用來製造多種塑膠、化妝品和家居用品，比如防凍劑、油漆和絕緣泡沫。僅在美國，每年對環氧丙烷的需求量就高達240萬噸，價值高達49億美元。

但不幸的是，環氧丙烷的製造流程非常複雜，需要一系列的中間反應，而這會產生大量的冗餘化學物質。通常，製造一噸環氧丙烯會伴隨著兩噸各種鹽。如果有一種催化劑能夠讓氧與丙烯直接生成環氧丙烷，那么它就可以稱得上是催化劑界的“聖杯”。在這之前，科學家也曾發現金屬銅可以扮演這一角色，但又一不幸的是，銅自身也會與氧氣反應生成氧化銅，而氧化銅是無法用來當催化劑的。

“金屬形式的銅有著非常獨特的電子結構，可以為氧氣與丙烯的反應激活一條捷徑。”本文的第一作者，密西根大學研究生Marimuthu Andiappan說道。金屬銅更“喜歡”讓氧氣與丙烯直接結合，而銅的氧化物卻傾向於將丙烯分解為二氧化碳，或者只給其中一個碳原子加上氧分子，生成丙烯醛。

逆轉氧化過程

研究人員發現，只要稍微改變一下銅的原子結構，就能用光照逆轉銅的氧化過程。他們將銅製造成直徑約為40納米的納米粒子（大約是蛛絲的百分之一），然後加入了一些純淨的二氧化矽微粒，之後用其催化氧氣和丙烯氣體的反應。研究人員發現，在黑暗中銅會像往常一樣發生氧化，只有20%左右的氣體反應生成了環氧丙烷，但在五倍於陽光的白光照射下，銅粒子保持在了金屬狀態，並且將50%的丙烯氣體催化成了環氧丙烷。

研究人員利用這個裝置進行反應測試。中間的小圓盤中裝有催化劑，氧氣與丙烯氣體分別通過兩個管道輸入，光線從頂部照射。

“就我們所知，這是人類首次發現光線可以用來逆轉金屬的氧化過程。”Andiappan說道。在光照下，氧化銅表面下方的銅粒子會聚集光線，並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合。而且，這一發現會讓環氧丙烷的生產過程變得非常環保。“理論上說，我們只要通過鏡子來增強光照強度就可以了。”Andiappan補充道。

“目前我們只進行了初步的探索。”Linic說，“可以預想，我們可以通過光照讓許多用傳統方法無法完成的化學反應發生戲劇性的變化。”

催化劑化學式

環氧丙烷的化學式。看似非常簡單，但要讓氧氣與丙烯直接生成環氧丙烷卻十分困難，科學家一直在尋找合適的催化劑。