納米銅催化劑應用與研究進展

王宏铎

(中石油吉林化工工程有限公司，132001)

摘要: 近年來，以開採量豐富、價格低廉的銅及銅基納米材料的應用，特别是在催化領域和石油化工領域引起瞭(le)研究者與設計者的廣泛關注。運用不同的銅基納米材料的制備工藝對銅納米粒子的理化性質有不同的影響，研究者制備各種形貌和不同尺度的銅基納米材料應用於催化領域。銅基納米材料在偶合反應、催化加氫反應、氧化反應與光催化反應等領域有著(zhe)廣泛的應用。随著(zhe)銅基納米材料制備工藝日臻成熟，實驗條件日趨溫和，納米銅基催化劑在催化領域将會有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞(cí): 銅; 催化; 納米材料; 應用與研究

         石油化工領域合成方法的快速發展，促進瞭(le)高效催化劑開發的需求。高效催化劑可以提高反應效率，減少裝置的操作費用，同時，使用易於從反應混合物中簡單地分離的催化劑，可以節省設備與操作費用。近年來，金屬納米顆粒因其催化活性高、使用壽命長、易回收而被廣泛應用於有機合成的替代傳統催化劑。與傳統的金屬催化反應相比，金屬納米顆粒催化反應具有負載低、轉化率高、原子經濟高、收率高、催化效率高、催化劑可循環利用等優點。材料的性質随著(zhe)其尺寸接近納米範圍而改變，當分散到納米尺度時，它們往往表現出與本體不同的反應性，随著(zhe)粒徑的減小，表面體積比顯著增大，從而影響材料的表面相關性能。此外，高的比表面積可以使活性位點更好地分散，使反應物易於擴散，從而使其适合於催化活性。

         納米銅材料在光學、電子、醫藥以及高分子材料、導電薄膜和抗菌劑的制造等方面具有廣闊的應用前景。銅基納米催化劑在催化領域内廣泛應用於(yú)有機合成、電催化和光催化。與金、銀等貴族金屬相比，銅礦藏豐富、開採成本低以及制備銅基納米材料的多種方法實用而直接，銅納米材料尤其具有吸引力，物理和化學性質穩定性，而且易於(yú)負載在載體上。同時，銅納米粒子在空氣氛圍下極其容易被氧化，從某種程度上限制瞭(le)其發展，研究顯示，在使用金屬有機骨架、二氧化矽、碳材料或聚合物可以限制銅納米粒子被氧化，同時可以控制銅納米粒子的粒徑，因爲納米粒子和載體之間的相互作用會對最終材料的物理和化學性質産生較大的影響。因此，通過選擇合适的支架，可以調整納米粒子的性能，這将有利於(yú)增加銅基納米材料的催化活性。銅基納米材料高催化活性反應性和選擇，使銅及其合金成爲過去催化領域最有研究價值的金屬之一。

1 制備方法

           傳統銅基納米粒子制備(bèi)可以分爲兩類，第一種方法是将團簇通過工藝制備(bèi)成銅納米粒子，通用方法爲如銑削或研磨法、化學方法和氣凝膠法。第二種方法納米顆粒的制備(bèi)是通過原子或分子用於(yú)合成納米材料，通過該制備(bèi)方法可以更好控制納米粒子的形貌以及粒徑分布狀态，因此，該種方法在納米顆粒的制備(bèi)中越來越受歡迎。

           Sarkar通過使用 PVP 作爲銅納米粒子合成過程的穩定劑，在甲酸與N，N－二甲基甲酰胺爲溶劑中，以水合肼、抗壞血酸等還原劑制備(bèi)瞭(le)多種形貌與尺寸的銅納米粒子。抗壞血酸爲還原劑，甲酸溶液中制備(bèi)的銅納米顆粒以球形爲主，同時粒徑分布較窄，在溫和的反應條件下，銅納米顆粒可作爲合成 1，2，3－三唑的催化劑，表現出瞭(le)較高的催化活性。該銅基納米催化劑在同一介質中被重複使用多次，其催化活性沒有明顯損失。這種方法操作簡單，回收的産品純度高，不僅對大規模合成這類生物活性分子有吸引力，而且對藥物發現的篩選庫的合成也有吸引力。

           Fu開發瞭一種簡單的合成聚乙二醇包覆納米Cu₂O 的方法，納米顆粒被包裹在聚合物基體内以限制團聚。在一個典型的實驗過程中，将硫酸銅水溶液加入乙腈溶液，氮氣氛圍下，在80 ℃下回流，加入萘鈉溶液用於還原成 Cu0，然後 Cu0 在空氣氛圍下暴露30 min，形成Cu₂O，以SBA爲載體，将Cu₂O 用於重疊氮化物和炔之間反應，反應效率較高。

  2 催化應(yīng)用

2．1 偶合反應

         Heck 反應、Suzuki 反應、Ullmann 反應與 Sonogashira 反應是實驗室和工業上最受歡迎、最常見和最重要偶合反應，被用於(yú)許多藥物和農藥的合成。納米銅基催化劑已被開發並(bìng)廣泛用於(yú)這些反應中。

         Shi開發瞭一種方便的單鍋濕法合成 PdxCuy 雙金屬納米催化劑用於 Suzuki－Miyaura 反應。通過引入Cu，催化活性大大增強，而所需的Pd量減少瞭。通過調整Pd 與Cu 的比例，成功合成瞭不同成分的PdxCuy 納米催化劑。它們在苯硼酸和鹵代苯( 碘、溴或氯代苯) 之間的Suzuki－Miyaura 反應中的催化結果表明，PdCu₃納米催化劑表現出最好的催化活性，實驗結果表明，合金中 Pd和Cu的協同作用是提升催化性能的主要原因，在保持高催化性能的同時，也減少瞭貴族金屬钯的使用。基於綠色化學和成本效益，PdCu₃顯示出巨大的工業應用潛力。

            近年來芳基咪唑衍生物的合成得到瞭廣泛的研究雖然使用銅催化劑的烏爾曼型芳基胺化反應已經取得瞭相當大的進展，但通常胺的偶聯對象僅限於芳基碘化物或芳基溴化物。以芳基氯化物爲偶聯劑的偶聯反應報道較少。Son通過乙酰丙酮酸銅的熱分解和空氣氧化，合成瞭均勻的 Cu₂O( 15nm) 銅納米粒子，並将這些納米粒子作爲催化劑用於芳基氯化物的Ullmann胺化偶聯反應，對於苯並咪唑、吡唑和吡咯，産物收率好。這對於以芳基氯化物爲偶聯劑的偶聯反應的應用具有重要的現實意義。

           Sengupta合成瞭(le)新的聚離子樹脂支持的Pd /Cu 基雙金屬納米複合材料、並(bìng)對該材料進行表征，TEM分析顯示複合納米粒子的平均尺寸爲4.9 nm，分布較爲均勻，作爲催化劑應用於Sonogashira 在芳基碘化物與末端炔的偶聯反應。由金屬 Pd / PdO/CuO 組成的雙金屬納米顆粒被發現非常均勻地分布在整個聚合物基質中。通過熱過濾和金屬清除劑實驗檢驗瞭(le)異質催化活性，發現其效率很高，而且可以連續循環使用。

  2．2 催化加氫(qīng)反應(yīng)

         Sedighi 制備瞭CuCe /SAPO－34混合催化劑，以二氧化碳作爲原料，用於合成輕烴，各種表征技術表明，混合催化劑可以改善甲醇生産過程和甲醇向烯烴的轉化。實驗結果顯示，高溫促進瞭CO₂的轉化，同時增強瞭CO 的選擇性，但對烯烴的選擇性有相反的影響，烯烴的選擇性需要中間合适溫度下達到最佳。H₂ /CO₂ = 3，反應時間爲10 h，操作溫度爲382.46 ℃，17．33 L/( g·h) ，2.0 MPa 條件下，在CuCe /SAPO－34催化劑上獲得瞭70.4%的烯烴選擇性。

            碳碳雙鍵的還原對香精和其他精細化學品的生産具有重要意義。Subramanian 制備瞭(le)CuNPs/Y zeolite 催化劑，通過表征顯示，這些納米顆粒在沸石框架中是穩定的，並(bìng)且在無堿的情況下以2－丙醇爲氫供體對烯烴的非均相轉移加氫，具有較高的催化活性。該方法具有原子效率高、綠色環保、經濟環保等優點，反應不需要高溫、不需要強酸強堿，産率高，烯烴選擇性好，制備過程簡單，産物與催化劑分離容易，而且該非均相沸石負載銅納米顆粒催化劑可以重複使用 6 次，依舊保持較高的催化活性。

           Maity将納米銅簇封裝在具有羟基表面基團的聚酰胺樹枝狀聚合物内。作爲化學選擇性催化劑，用於水中羰基和烯烴基團的氫化。實驗顯示，該催化劑的催化活性取決於合成中使用的 Cu²⁺和 PAMAM-OH的物質的量比，這也決定瞭銅基催化劑的粒徑分布與其化學性質。樹枝狀聚合物包封的Cu 團簇在有氧條件下被氧化成Cu²⁺離子。但可以通過用NaBH₄還原來再生，用於催化應用。該催化劑成功将苯甲醛及其衍生物還原 成對應的醇基産物，産物收率較高。

           Marchi採用浸漬法制備瞭Cu /SiO₂催化劑，研究393 K、1.0 MPa 條件下的肉桂醛，在銅基催化劑液相加氫反應，該反應首先将肉桂醛氫化。同時動力學實驗拟合得到瞭該反應的動力學常數以及動力學方程。Cu /SiO₂催化劑增加銅的分散度可以提高肉桂醛的轉化率，對選擇性沒有顯著影響。

  2．3 氧化反應(yīng)

         醇的選擇性氧化生成相應的醛或酮是精細化工行業應用較爲廣泛的反應。Zhang首次證明瞭負載在二氧化矽上的金－銅合金納米催化劑，在苄醇氧化反應爲探針反應，測試該催化劑的反應活性，該反應以AuCu /SiO₂爲催化劑，氧氣爲氧化劑，反應在80 ℃下進行，實驗表明 AuCu /SiO₂具有很高的活性和選擇性。将該催化劑應用於其它的醇類，同樣表現出瞭很高的催化活性與選擇性。AuCu /SiO₂與單金屬金催化劑相比，催化劑不僅具有更均勻、更小的粒徑，而且表現出 Au與Cu之間的協同效應，這種協同效應可能是由電子相互作用引起的。金銅合金的形成似的 AuCu /SiO₂催化劑是獲得高活性和選擇性。

            Baruah我們開發瞭(le)一種價格低廉、環境友好、綠色、可重複使用的非均相催化體系—納米銅顆粒負載在纖維素模闆上，同時以水和乙腈爲反應溶劑，在微波反應器内，能在極短的反應時間内将苯甲醇、肉桂醇和雜芳醇氧化成相應的醛。該催化劑易於(yú)回收，使用壽命時間長，催化效率高，可以進行後續工業化推廣應用。

           Ikuno通過原子層沉積在金屬有機框架( MOF) NU－1000節點上合成的氧化銅簇，在溫和的反應條件下對甲烷氧化成甲醇具有較強的活性。同時，作者利用化學反應性分析、原位 X射線吸收光譜和密度泛函理論計算被用來確定 Cu－NU－1000催化系統的結構/活性關系。該催化劑還有含有幾個 Cu 原子的 Cu－oxo 團簇。該催化劑内的 Cu主要以 15%的 Cu⁺和85%的Cu²⁺銅離子的混合物存在。甲烷在 Cu－NU－1000上的氧化伴随著催化劑中 9%的 Cu從 Cu²⁺還原爲Cu⁺。甲醇、二甲醚和二氧化碳等反應産物，甲烷對甲醇的碳選擇性達到 45% ～ 60%。穩定在 NU－1000 中的Cu氧化物團簇提供瞭一種活躍的、基於MOF 選擇性甲烷氧化催化劑。

  2．4 光催化反應(yīng)

         Khalid通過水熱法制備瞭Cu－TiO₂ /GＲ複合光催化劑。研究發現，在可見光照射下，在用於降解甲基橙實驗結果顯示，Cu－TiO₂ /GＲ複合光催化劑表現出比純 TiO₂更強的光催化活性，複合催化劑更高的光催化活性可能是由於石墨烯的二維平面結構帶來的擴展光吸收、高效電荷分離、複合催化劑表面的吸附性增強以及複合催化劑與有機化合物之間更多的 p－p 相互作用的協同效應。

        Pawar研究瞭(le)ZnO 和Cu 摻雜對光催化性能和鐵磁性能的影響。摻雜Cu 的 ZnO 是在一個單一的化學步驟中制備的，創建包含大量極性表面的樣品。摻雜和未摻雜的ZnO微觀結構均表現出室溫鐵磁性，在摻雜Cu的樣品中，由於(yú)Cu 誘導的氧空位，這種效應更強，利用該複合材料在可見光照射下對亞甲基藍和羅丹明 B 進行光催化降解，實驗結果顯示，Cu含量越大，光催化活性越高。通過拉曼光譜、光吸收、X 射線衍射、X射線光電子能譜和光緻發光分析等表征手段證明極性表面的存在，CuO的形成，以及氧空位的存在。這些都對摻雜Cu的ZnO微結構的光催化性能有重要意義。此外，這些微結構顯示出室溫鐵磁性，這可能在自旋電子器件的有用應用。因此，這些微結構在光催化降解有機污染物方面具有潛在的應用前景。

          Le研究通過簡單、便捷的途徑制備瞭一種Cu /mpgC₃N₄複合材料，並應用Cu /mpgC₃N₄複合材料與光催化降解甲基橙染料。與純 g－C₃N₄相比，Cu /g－C₃N₄光催化降解活性得到增強，是因爲其納米孔結構和光載體的快速生成、分離和傳送。在基於 g－C₃N₄的純可見光催化系統内，O^2－和 h_VB ⁺爲降解目标污染物的活性點位。在基於 Cu /mpg－C₃N₄的可見光催化系統内，除瞭O^2－和 h_VB ⁺ 的情況下，OH也被發現參與瞭降解反應中，爲Cu /mpg－C₃N₄的光催化活性的增強提供瞭實驗證據。與其他介孔C₃N₄催化劑相比，Cu 摻雜的 mpg－C₃N₄催化劑具有更高的光催化活性。這一工作爲Cu /mpg－C₃N₄在環境淨化和太陽能轉換中的應用提供瞭實驗依據。

  3 結論

        近年來，銅基納米材料在化學與化工領域得到瞭(le)廣泛的應用與研究。銅基納米材料特别是在催化領域，由於銅的價格較爲低廉，同時其過渡金屬特有的理化性質，其單獨或者與其他貴族金屬作爲合金催化劑應用，具備較好的催化性質。銅基納米材料由於制備工藝不同，導緻其化學性質出現差異，其在偶聯反應、催化加氫、氧化反應與光催化反應等領域有著(zhe)廣泛的應用，本文總結瞭(le)其一些前沿性實驗應用成果，爲後續銅基納米材料在工業化應用，提供一些理論基礎。

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