Новости химической науки > Свет раскрывает способности медного катализатора

Американские ученые продемонстрировали, что оксидная пленка на медных наночастицах может быть очищена с помощью света, обнажающего каталитически активную металлическую поверхность меди.

Значимость этого открытия заключается в том, что степень окисления многих металлов определяет их каталитические характеристики, и возможность управления степенью окисления помогла бы открыть дорогу к производству более гибких и эффективных каталитических систем.

Группа ученых из Университета Мичигана облучала медные наночастицы, которые применялись для окисления пропилена с образованием промышленно важного пропиленоксида. Традиционные способы получения пропиленоксида включают в себя гидрохлорирование пропилена хлором или соокисление изобутана или этилбензола. В обоих типах процессов используются или образуются опасные соединения.

Вот уже несколько лет известно, что металлическая медь может служить катализатором для прямого эпоксидирования пропилена. Однако этот процесс был продемонстрирован в условиях глубоко вакуума с применением очищенной кристаллической меди. В обычных же условиях, как только кислород соприкасается с медной поверхностью, образуется оксидная пленка, которая в свою очередь инактивирует каталитическую активность меди.

Свет может стать простым решением для улучшения металлических катализаторов (Рисунок: © Shutterstock)

В новой работе Сулджо Линиц (Suljo Linic) с коллегами показал, что если видимый свет направить на наночастицы меди, поверхностный слой восстанавливается, происходит разрушение оксидного слоя, обнажая металлическую медь. Наблюдаемое явление происходит в результате локального поверхностного плазмонного резонанса.

Если частота колебаний падающего света соответствует собственной частоте электронов поверхности, электроны переходят в более высокоэнергетичное возбужденное состояние и создается мощное электрическое поле. Электроны приобретают достаточное количество энергии, чтобы перемещаться между орбиталями, ослабляя связи медь-кислород и восстанавливая поверхность.

Ученые также продемонстрировали, что наночастицы меди, возбужденные видимым светом, могут катализировать эпоксидирование пропилена. Линиц сообщает, что благодаря катализатору, находящемуся в фотовозбужденном состоянии, удалось увеличить селективность системы приблизительно на 50% по сравнению с традиционным катализатором.

Линиц уточняет, что можно было бы достичь большей эффективности для коммерческих систем, но на данном этапе ученые пытаются улучшить дизайн катализатора для достижения еще большей селективности, поскольку для них важен сам принцип. Линиц заявляет, что химизм и продукты каталитических реакций часто зависят от состояния окисления поверхности, и, если научиться регулировать окислительное состояние катализатора с помощью различного воздействия, появится возможность управлять каталитическими процессами.

Майкл Боукер (Michael Bowker), эксперт в области гетерогенного катализа из Университета Кардиффа в Великобритании говорит, что конверсия пропилена в 4% является очень низкой. Легко достичь высокой селективности при низкой конверсии (хотя, как считает Боукер, селективность, о которой сообщает Линиц, не очень высока).

Тем не менее, Боукер добавляет, что на его взгляд Линиц превосходный ученый, а эпоксидирование пропилена – священный Грааль гетерогенного катализа, который еще не найден и работы в этой области вне всяких сомнений заслуживают достойного внимания.

Источник: Science, 2013, 339, 1590 (DOI: 10.1126/science.1231631)