催化剂领域大显身手的钌元素
来源： 科技日报 发布时间：2022-04-24
□ 宋 丹
元素家族
钌，元素周期表第44号元素。
1808年，波兰化学家在研究来自美洲的矿石时，在其中发现了一种新的金属。但是当法国化学家试图重复他的实验时却没能找到，这种元素消失还是出错了？波兰化学家随后撤回了自己的说法。这种元素就是钌。钌的发现如此坎坷，主要原因还是钌元素是一种稀有的元素，很多类似的元素及其化合物影响了人们对它的判断，并使钌元素成为了最后一个被发现的铂系元素，比铂整整晚了100年。直到1844年，化学家们在用王水溶解了西伯利亚粗铂后的不溶残渣中才找到了这种金属元素。
在工业上，钌和铂、钯一起用于提高合金硬度，用来制作配电开关等器件。1984年曾出版的一本权威著作《钌化学》，将1978年以前全部相关文献作了一番整理，让人们对钌有了不一样的认识。
对钌的研究，成就了两届诺贝尔化学奖，一次是2001年，另一次是2005年。2001年，日本人野依良治因为发现了钌配合物催化剂的应用，与其他两位化学家一起分享了当年的诺贝尔化学奖。人们发现这些手性钌配合物可立体选择性地催化氢化一系列不饱和羧酸，其选择性比铑催化剂甚至许多生物催化剂都要好。不仅如此，含钌的催化剂的使用，还为有机化学家设计合成路线提供了一个强有力的选择。
2005年，美国化学家罗伯特·格拉布开发出了含钌催化剂，被称为格拉布催化剂，它是目前应用最广泛的烯烃复分解反应催化剂。20世纪50年代，人们发现烯烃里的碳—碳双键会在金属化合物的催化作用下进行拆散、重组，形成新分子，而这些金属化合物可以使烯烃中的碳原子与催化剂中的一个金属原子以双键链接，实现烯烃分子中碳原子的交换。格拉布的贡献就是对这些催化剂作了改进，研制出了钌催化剂，并将这些催化剂普遍使用在烯烃复分解催化反应中，甚至成为了检验新型催化剂性能的标准。这些催化剂的使用让后来的有机合成过程变得更加简单高效，副产品更少，成为“绿色化学”的典范。
钌配合物与锇、氙一样，有多种氧化态，甚至能达到 8价。从理论上说，这种物质在可见光的照射下有可能氧化或还原水，从而引发人们对它的大量研究。因为按照这个理论，或许在未来，人们可以利用钌配合物的强还原作用，真的能实现将水还原成氢气。
钌配合物在染料敏化太阳能电池方面也有不一般的作用，这种电池以宽带隙半导体纳米颗粒作为负极，含钌染料也被连接在负极上，一旦受光照激发之后能使负极上的钌配合物失去电子，将碘阴离子还原成碘单质，碘单质在正极会再次被还原为碘离子，从而形成碘的循环利用。含钌配合物在这种电池中能充当电子的二传手，并对外释放出电能。这种电池被看作是硅基太阳能电池未来的价格战对手。
（作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员）
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