等离子体轰击制备的铜催化剂在草酸二甲酯加氢中表现出高乙醇酸甲酯选择性

中科院大连化物所孙剑研究团队发现了一种可替代贵金属金或银的铜催化剂，在催化加氢反应中表现出与传统铜催化剂完全不同，而与金或银接近的性能。相关研究成果发表于 2018年 12月 22日出版的 《科学-进展》（Science Advances）上。与金、银相比，同族的非贵金属铜更易获得且价格便宜，但是铜金属也更容易失去外围电子，在催化反应中更易被氧化--金属铜在氧化或加氢等催化反应中常表现出铜零价和一价共存的化学态，因此铜催化剂化学性质并不稳定。为提高铜催化剂的稳定性，该研究团队尝试通过“高能等离子体流轰击”的方法，改变铜的外围电子结构，使铜表现出贵金属金和银的特性，在催化反应中保持0价态，进而可以替代金、银催化剂。这种等离子体流轰击铜改变其电子结构的过程被科研人员比喻为对铜催化剂的“冷冻”处理。它是采用磁控溅射装置，在电场驱动下，通过被等离子体化的氩气产生的高能粒子流，定向的轰击铜金属靶，使得金属铜以原子形式均匀沉积于载体表面。科研人员尝试在草酸二甲酯催化加氢反应中，用“冷冻”的铜纳米颗粒催化剂替代贵金属催化剂。实验结果显示，被“冷冻”的铜纳米颗粒在反应过程中可被锁定在金属态，实现在反应温度为230～290oC范围内，草酸二甲酯加氢反应的主产物为高附加值的乙醇酸甲酯，且乙醇酸甲酯的选择性可最高达87%。反应过程中，“冷冻”的铜纳米颗粒催化剂表现出了与贵金属金或银极其类似的催化性能。该结果颠覆了铜催化剂利于发生深度加氢反应而生成乙二醇和乙醇等醇类化合物的传统认知，证明了铜金属经过处理，可以表现出了与贵金属金或银极其类似的催化性能。