黄金是东谈主类漂后史上最受信托的金属。与早已昏昧锈蚀的铜器、铁器不同，几千年前的金器，今天依然闪闪发光。关联词，关于这种永远不锈的特色，化学家永远以来只可用“金不开朗”来解释。
1987 年，日本科学家春田正毅（Masatake Haruta）作念了一个令催化界集体失语的实验：他把黄金制成纳米颗粒，负载在金属氧化物上，箝制发现，这种材料在接近零下 70 摄氏度的低温下，竟能高效催化一氧化碳的氧化反映。这与黄金化学惰性极强、不得作为念催化剂的既往结论十足相背。
问题随之而来：要是黄金真的如斯踏实，它的纳米颗粒为何又如斯活跃？
近四十年后，5 月 21 日，好意思国图兰大学（Tulane University）化学与生物分子工程系副锤真金不怕火马修·蒙特莫尔（Matthew Montemore）和博士后计议员桑图·比斯瓦斯（Santu Biswas）在《物理辩论快报》（Physical Review Letters）上发表了一项计较模拟计议，他们把一块黄金放大到原子级别，箝制发现，其名义的原子造成一种密排的六边形图案，就像蜂巢一样邃密。恰是这种自愿造成的保护性陈设，让黄金在氧气眼前坚不行摧。
被污蔑了几千年的“惰性”
黄金的耐腐蚀性，东谈主类早在史前时间便已凭直观意志到了。古埃及法老的陵墓里，黄金器物历经三四千年仍光洁如新。在化学言语里，这种性质被称为化学贵金属性（chemical nobility）：黄金是通盘已知金属中贵金属性最强的，其电化学收复电位高达 +1.83 V，在门径景色下不与氧气、水或大多数酸反映。
此前，学界给出的解释常常指向黄金的电子结构：金（Au）的 5d 轨谈险些全满，6s 轨谈唯有一个电子，相对论效应使 6s 轨谈减弱、能量裁减，导致其电子既难以失去，也难以参与成键。换言之，金不何如和别的分子交换电子，活性极低。
这个解释并莫得错，但它是从体相化学的角度启航，复兴了“金为什么在热力学上不倾向于被氧化”。关联词，腐蚀常常是一个名义历程：氧气早先要与金属名义斗争，在名义发生吸附，然后分子氧（O₂）要断裂成两个活性氧原子，后者再与金属原子和解，才能触发氧化。
历程的枢纽瓶颈是 O₂ 的解离。而蒙特莫尔团队的新计议，正聚焦在了这一步上，并在原子层面找到了一个此前被冷落的谜底。
金的名义，不是一面平整的墙
在宏不雅世界里，一块抛光的黄金名义看起来平滑如镜。但在原子圭表看，金属名义从来不是如斯。名义原子的配位数（周边原子数）低于体相，这代表它们处于一种高能的“悬空”景色，倾向于再行排布以降呆板量。这一局势称之为名义重构。
黄金是重构局势最为丰富的金属之一。阐述晶面取向的不同，金的低指数面（最常见的几种晶面）各有其重构阵势：
其中，Au（111）面是名义顶层原子自愿地在某一方朝上增密，每隔 22 个体相原子就插入一个迷漫原子，开元棋牌(中国)官网入口造成一种反复折叠的波纹图案，被称为鱼骨纹重构（herringbone reconstruction），这是通盘金属中最复杂、最独到的面重构；
Au（100）面指的是，原来应呈绵薄方形陈设的名义，自愿重构为准六方密排结构，顶层原子密度约比体相高出20%；Au（110）面则是每隔一瞥原子就少一瞥，造成所谓“缺失行”（missing-row）重构，全体向六方结构靠近。
早在数十年前，仍是有科学家通过扫描纯正显微镜和呆板电子衍射等实验妙技，厚爱纪录了这些重构局势。但寰球似乎王人没关爱到一个枢纽问题：这些重构到底对金的化学惰性有多大孝敬？
计较模拟：拒绝金的铠甲，望望内部发生了什么
计议东谈主员接受基于第一性旨趣的计较机模拟，系统计议了氧分子与不同几何结构的金名义互相作用时的行为。团队考取了一系列金名义，粉饰从六方密排到方形/矩形陈设的不同构型，中枢对比对象是重构后的准六方名义与未重构的方形/矩形名义。他们想知谈，当一个 O₂ 分子围聚这些名义时，需要越过多高的能量壁垒，才能完成解离（断裂 O-O 键，分裂成两个孤苦的 O 原子）？
模拟箝制泄露，O₂ 在通盘金名义上的驱动吸附能王人不异渺小，重构与否对这一步险些莫得影响。这意味防范构无法拦阻 O₂ 围聚名义，它的作用十足体现鄙人一步：拦阻它断键。
在重构的六方密排名义上，O₂ 解离靠近极高的能量壁垒：氧分子险些找不到合适的“落脚点”来完成断键。这与实验中块体金极难被氧化的局势高度吻合。在未重构的方形/矩形名义上，情形判然不同。O₂ 解离所需最初的能量壁垒权贵裁减，博亚(中国)一站式服务官方网站氧分子能够相对容易地分裂成活性原子氧。
计议团队对此进行了微能源学建模。在常温常压下，不异经过 10 秒，区分对比 Au（110）名义和 Au（100）名义未重构和重构后的各项参数变化。箝制发现，重构对名义氧化的扼制进程永远在 9 到 12 个数目级之间，即十亿至万亿倍。举个更形象的例子，要是领有方形结构的金名义会在 1 秒内被氧化，重构则将金的名义变成了一起密不通风的六边形栅栏，需要数十亿年才会被氧化，这个期间圭表仍是远超天下年级。
论文进一步揭示了这一各别背后更深层的力学原因。在 O₂ 解离的过渡态，氧分子需要同期与两个相邻金原子成键。在方形/矩形名义，原子间距自然契合这一几何要求，过渡态不错当场造成，名义结构变形量小。而六方密排名义则不同，它必须先将局部结构扭曲成类方形，才能拼凑容纳过渡态，这一扭曲自身就要耗尽多数迥殊能量，平直推高了全体能量壁垒。
纳米金为何投降？一起错误终于有了解释
开运体育中国官网入口金的名义重构为准六方结构，它仅仅该晶面在特定要求下能量最低的踏实构型，是原子自愿寻找最呆板态的箝制。至于抗氧化性，仅仅这种踏实构型带来的“副产物”。
这也教唆咱们：黄金的惰性，大要不是贞洁的热力学踏实性，还有一部分源于能源学惰性。因此，即便在热力学角度看，氧化可能发生，重构后的名义几何结构也使这一历程在能源学上极难股东。
早在 1985 年，英国化学家格雷汉姆·哈钦斯（Graham Hutchings）便孤苦发现款能高效催化乙炔的氢氯化反映，这一发现致使早于春田正毅，仅仅其时不异未引起足够可爱。
自后，春田正毅的发当今其时再次遭到同业的普遍质疑：黄金何如可能成为好催化剂？但实验箝制无可辩驳。而后数十年，纳米金催化马上发展为一个稠密计议鸿沟，金纳米颗粒被评释能催化 CO 氧化、烯烃环氧化、醇类选择性氧化等一系列反映，其活性之高致使突出铂、钯等传统贵金属催化剂。
科学界提倡了多种解释：颗粒尺寸越小，名义积与体积之比越高；边缘和边际处的低配位原子具有更高的反映活性；载体与纳米金之间的界面周长是真实的活性位点……这些解释各有相沿，但永远盘曲一个能够竣工解释“块体金惰性、纳米金活跃”的原子级框架。
蒙特莫尔团队的责任提供了一根稠密的基础表面援助：纳米颗粒太小，无法在名义充分发展出完整的重构六方结构。颗粒越小，棱角和边缘区域的比例越高，这些区域的原子几何陈设更接近方形或矩形，这就属于本计议中发现的低壁垒构型，也成为O₂得以解离、催化反映得以发生的活性窗口。
从防锈到增活的催化缱绻启示
现时，金基催化剂在工业上已有施行应用，比如金-钯（Au-Pd）合金催化剂，用于坐褥醋酸乙烯酯（vinyl acetate），一种合成团员物和多种材料的稠密化工原料。此外，金纳米催化剂在尾气净化（CO 氧化）、氢燃料电板保护等场景中也有巨大后劲，计议东谈主员还在探索用金催化剂平直合成环氧丙烷。
现时，普及金催化活性的政策主要有两条：一是与其他金属合金化（如掺入铅、银等），改革电子结构；二是将金纳米颗粒负载在特定氧化物名义，愚弄界面效应提供迥殊活性。
这项计议提倡的新念念路是：从名义几何脱手。要是能拦阻 Au（100）或Au（110）面完成重构，或东谈主为踏实其方形/矩形的名义结构，就有可能在保留金的其他优良秉性的同期，大幅普及其活化O₂的能力。
值得一提的是，破除重构以普及活性这一政策，大要在热化学催化和电化学催化两条道路上王人能告成。计议者将这一发现延迟至电化学场景，模拟泄露，在施加不同电位的要求下，重构名义对 O₂ 解离的扼制成果依然踏实存在，这对以金为电极材料的电化学体系不异极度念念，举例燃料电板中的氧收复反映。
不外，如安在真实要求下踏实一个热力学上并不踏实的名义构型，是材料合成鸿沟尚未处治的工程问题。
在名义催化的世界里，催化剂常常具有结构敏锐性：其名义的原子几何结构，历来是决定反映活性和选择性的枢纽要素之一。但在贵金属鸿沟，计议者永远更关爱电子结构，不行幸免地忽略了几何要素与化学惰性之间的定量干系。蒙特莫尔团队的计较有劲地评释，重构也不错是一起能源学障蔽，将 O₂ 违反在解离的门槛除外。
黄金醒目了几千年，当年也将不时醒目下去。而对金基催化剂的缱绻者来说，他们真实的敌手，除了金的化学性质，还要和热力学掰掰手腕。
参考内容：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/g3bc-t1qv
注：封面/首图由 AI 辅助生成