催化劑領(lǐng)域大顯身手的釕元素

文／宋 丹

釕，元素周期表第44號元素。

1808年，波蘭化學(xué)家在研究來自美洲的礦石時，在其中發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬。但是當(dāng)法國化學(xué)家試圖重復(fù)他的實驗時卻沒能找到，這種元素消失還是出錯了？波蘭化學(xué)家隨后撤回了自己的說法。這種元素就是釕。釕的發(fā)現(xiàn)如此坎坷，主要原因還是釕元素是一種稀有的元素，很多類似的元素及其化合物影響了人們對它的判斷，并使釕元素成為了最后一個被發(fā)現(xiàn)的鉑系元素，比鉑整整晚了100年。直到1844年，化學(xué)家們在用王水溶解了西伯利亞粗鉑后的不溶殘渣中才找到了這種金屬元素。

在工業(yè)上，釕和鉑、鈀一起用于提高合金硬度，用來制作配電開關(guān)等器件。1984年曾出版的一本權(quán)威著作《釕化學(xué)》，將1978年以前全部相關(guān)文獻作了一番整理，讓人們對釕有了不一樣的認(rèn)識。

對釕的研究，成就了兩屆諾貝爾化學(xué)獎，一次是2001年，另一次是2005年。2001年，日本人野依良治因為發(fā)現(xiàn)了釕配合物催化劑的應(yīng)用，與其他兩位化學(xué)家一起分享了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎。人們發(fā)現(xiàn)這些手性釕配合物可立體選擇性地催化氫化一系列不飽和羧酸，其選擇性比銠催化劑甚至許多生物催化劑都要好。不僅如此，含釕的催化劑的使用，還為有機化學(xué)家設(shè)計合成路線提供了一個強有力的選擇。

2005年，美國化學(xué)家羅伯特·格拉布開發(fā)出了含釕催化劑，被稱為格拉布催化劑，它是目前應(yīng)用最廣泛的烯烴復(fù)分解反應(yīng)催化劑。20世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)烯烴里的碳—碳雙鍵會在金屬化合物的催化作用下進行拆散、重組，形成新分子，而這些金屬化合物可以使烯烴中的碳原子與催化劑中的一個金屬原子以雙鍵鏈接，實現(xiàn)烯烴分子中碳原子的交換。格拉布的貢獻就是對這些催化劑作了改進，研制出了釕催化劑，并將這些催化劑普遍使用在烯烴復(fù)分解催化反應(yīng)中，甚至成為了檢驗新型催化劑性能的標(biāo)準(zhǔn)。這些催化劑的使用讓后來的有機合成過程變得更加簡單高效，副產(chǎn)品更少，成為“綠色化學(xué)”的典范。

釕配合物與鋨、氙一樣，有多種氧化態(tài)，甚至能達到+8價。從理論上說，這種物質(zhì)在可見光的照射下有可能氧化或還原水，從而引發(fā)人們對它的大量研究。因為按照這個理論，或許在未來，人們可以利用釕配合物的強還原作用，真的能實現(xiàn)將水還原成氫氣。

釕配合物在染料敏化太陽能電池方面也有不一般的作用，這種電池以寬帶隙半導(dǎo)體納米顆粒作為負極，含釕染料也被連接在負極上，一旦受光照激發(fā)之后能使負極上的釕配合物失去電子，將碘陰離子還原成碘單質(zhì)，碘單質(zhì)在正極會再次被還原為碘離子，從而形成碘的循環(huán)利用。含釕配合物在這種電池中能充當(dāng)電子的二傳手，并對外釋放出電能。這種電池被看作是硅基太陽能電池未來的價格戰(zhàn)對手。