黃金，是具有永久價(jià)值的“高貴”金屬，一直作為人類社會(huì)財(cái)富和權(quán)力的載體而得到青睞。然而，決定黃金這種“高貴”地位的化學(xué)惰性，曾一度讓化學(xué)家喜歡不起來。
直到20世紀(jì)80年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米小尺寸金粒子對(duì)許多化學(xué)反應(yīng)都具有非凡的催化作用，并由此引發(fā)了催化領(lǐng)域乃至納米科技領(lǐng)域的“淘金熱”。這種高化學(xué)惰性和高催化活性的巨大反差，刷新了人們對(duì)黃金的認(rèn)識(shí)，是納米金的首度驚艷亮相。
然而，與納米金非凡催化活性伴生的先天不足是其熱穩(wěn)定性極差。據(jù)測(cè)算，2納米大小的金粒子在330℃就會(huì)熔化成液滴，像露珠在荷葉上一樣，很容易聚集到一起變成催化活性差的大粒子。黃金的熔點(diǎn)低(1064℃，鉑1763℃)，讓穩(wěn)定小尺寸金納米粒子成為近乎不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。
金的低熔點(diǎn)和高熱穩(wěn)定性這一對(duì)冤家能否像其高化學(xué)惰性和高催化活性一樣，相殺相生，再度令人驚艷?
近日，中科院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心張濤院士和李為臻研究員團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)李雋教授團(tuán)隊(duì)合作，制備出來可抗1100℃高溫的納米金催化劑，將尺寸約為3納米的金粒子的穩(wěn)定溫度提高到黃金的熔點(diǎn)以上。
小尺寸金納米粒子是眾多金原子球的緊密聚集體。氧化物載體可以看做是大量氧負(fù)離子球的堆積體，氧負(fù)離子球的空隙中填充了直徑更小的金屬陽(yáng)離子球。這些氧負(fù)離子球的空隙也是金原子球喜歡停留的落腳點(diǎn)。簡(jiǎn)單的講，金納米粒子和氧化物載體可以分別類比成具有凸柱和凹槽的樂高磚塊。很顯然，只有凸柱和凹槽的尺寸和周期性分布都很匹配的時(shí)候，兩塊樂高磚塊才可以牢固的結(jié)合在一起。
如何找到適合納米金“樂高磚塊”的氧化物“樂高磚塊”呢?研究團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鎵酸鎂尖晶石氧化物是理想的選擇之一。果然，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，將小尺寸金納米粒子負(fù)載在鎵酸鎂尖晶石后，約3納米大小的金納米粒子在經(jīng)過800甚至1100攝氏度焙燒后仍然存在!
在高于黃金熔點(diǎn)的溫度下，金納米粒子仍然穩(wěn)定存在，這顯然違反了單質(zhì)金晶體所必須遵循的熱力學(xué)定律。預(yù)示著金與鎵酸鎂尖晶石結(jié)合后，已經(jīng)改變了性質(zhì)。確實(shí)，在高倍電子顯微鏡下觀察被加熱到1100攝氏度的樣品發(fā)現(xiàn)，金粒子牢固地與鎵酸鎂尖晶石結(jié)合在一起，仍然以納米晶體的結(jié)構(gòu)存在，并未被熔化成液滴。二者像長(zhǎng)在一起一樣，形成了一種新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究者稱之為金屬-氧化物“異質(zhì)孿晶”結(jié)構(gòu)。
這種金與載體界面結(jié)構(gòu)的變化，并未影響金納米粒子的其他表面上金原子的催化能力。由于其同時(shí)具有很高的熱穩(wěn)定性和催化活性，有望推動(dòng)納米金催化劑在眾多重要化工及環(huán)保催化反應(yīng)過程中的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。比如，該催化劑即使經(jīng)過800攝氏度高溫焙燒后，仍能在較低的溫度下高效地催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)，可以解決當(dāng)前柴油車尾氣氧化催化劑在低溫時(shí)消除上述污染物不力的問題。
從超低溫催化活性到超高溫?zé)岱€(wěn)定性，納米金梅開二度，再次呈現(xiàn)出對(duì)立統(tǒng)一的魅力。納米金能否梅開三度，驚艷世人，讓我們拭目以待。
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