铜用途广泛——用于电线、管道，甚至硬币。由于储量丰富且价格相对较低，铜长期以来也被用于加速化学反应的催化剂——尤其是在水和二氧化碳的电解过程中，铜作为电极和催化剂，用于利用电能生产燃料。

问题在于，普通铜并非最耐用的催化剂，因此研究人员一直在寻找改进方法。一种方法是将其氧化，这个过程与铁生锈基本相同。20世纪70年代，化学家马塞尔·普尔贝(Marcel Pourbaix)提出理论，认为应该存在高度氧化的铜，这种形式的铜具有特别耐用的特性。从那时起，研究人员就一直在寻找这种形式的铜。

现在，由美国能源部 (DOE) SLAC 国家加速器实验室的研究人员领导的团队终于通过先进的计算方法和最先进的实验技术发现了这种难以捉摸的铜。

该团队由来自劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室)、斯坦福大学、美国国家标准与技术研究所 (NIST)、加州大学伯克利分校和国家可再生能源实验室的研究人员组成，是液体阳光联盟 (LiSA) 的一部分，该联盟是美国能源部太阳能燃料创新中心。

他们的研究结果发表在《美国化学学会杂志》上，阐明了这种特殊形式的铜在什么条件下最稳定，为制造更耐用的铜催化剂铺平了道路。

为了生产这种材料——具体来说是一种化学式为 CuOOH 的氢氧化铜——研究人员将电流施加到浸没在电解质浴中的铜电极上。

然而，由于需要考虑精确的电压、酸度以及许多其他变量，生成和识别这种铜化合物并非只是启动系统那么简单。为了应对这一挑战，本文共同第一作者、SLAC 和 SUNCAT 界面科学与催化中心博士后研究员 Pooja Basera 使用强大的计算方法来预测能够生成所需铜化合物的条件。

在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机的帮助下，他们成功了。“这与普尔贝的假设非常吻合，”巴塞拉说。“我们很高兴能够精确地找到这种形式的铜。”

接下来，研究小组利用斯坦福直线加速器中心(SLAC)的斯坦福同步辐射光源(SSRL)的明亮X射线来验证这些预测。由于催化反应发生在催化剂的最初几个原子层中，因此他们需要在操作条件下对表面反应敏感的技术来详细捕捉氧化铜化合物的形成过程。

一项新技术就具备这种灵敏度。它由SSRL和伯克利实验室的研究人员开发，调制激发X射线吸收光谱法以快速循环开启和关闭电脉冲，同时用X射线探测样品，从而揭示铜电极中的“结构指纹”。

SSRL 的科学家 Angel T. Garcia-Esparza 表示：“正如计算所预测的那样，我们可以看到一种以前从未见过的新的铜光谱特征”，这表明存在氢氧化铜。

研究团队还想了解谜题的另一个重要部分：这种铜化合物是如何形成的。伯克利实验室的博士后研究员杨钊和高级科学家香农·博特彻利用了另一种专门的技术——原位拉曼光谱。他们用可见光照射样品，测量原子间键的振动方式。这些分子振动就像指纹一样，有助于识别不同的化学物质。

当电压升高到一定水平时——超出了铜研究中通常使用的电压——出现了一个新的信号。该信号与计算预测相符，为铜转变为CuOOH相提供了强有力的证据。

这些计算和指纹表明，在正确的形式下，铜可以承受更高的工作电压，从而提高其耐用性，SLAC 的研究员兼这项研究的主要作者 Michal Bajdich 说。

提高铜催化剂的耐久性对于电化学水分解(将水分解为氧气和氢气的过程)具有重要意义，这有助于以更经济、更低能耗的方式生产社会所需的燃料，特别是如果使用太阳能而不是其他能源的话。

虽然现在铜仅用于带负电的水分解电极，但研究结果为将铜用于带负电和正电的电极打开了大门，从而有可能取代现在使用的更昂贵和稀缺的材料。

“我们在 SLAC 开发的先进计算能力与尖端技术相结合，使我们能够揭示难以捉摸的催化状态，”联合首席研究员、SSRL 高级科学家 Dimosthenis Sokaras 表示。此类基础研究有助于建立新的或新兴的化学转化技术。

研究小组表示，解决了铜的谜团后，他们的方法可以帮助找到其他催化材料的更高氧化态，总体目标是设计更稳定、更耐用的催化剂，不仅用于水分解，还用于其他工业相关的化学反应。

更多信息： Pooja Basera 等人，《Cu ³⁺在氧化铜析氧活性中 的作用》 ， 《美国化学会志》 (2025)。期刊信息： 美国化学会志