黄金是东谈主类斯文史上最受信托的金属。与早已阴森锈蚀的铜器、铁器不同，几千年前的金器，今天依然闪闪发光。关连词，关于这种历久不锈的特点，化学家永久以来只可用“金不解朗”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践诺：他把黄金制成纳米颗粒，负载在金属氧化物上，截止发现，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馈。这与黄金化学惰性极强、不符合作念催化剂的既往结论全齐违抗。

问题随之而来：淌若黄金真的如斯褂讪，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诠释马修·蒙特莫尔（Matthew Montemore）和博士后商议员桑图·比斯瓦斯（Santu Biswas）在《物理评述快报》（Physical Review Letters）上发表了一项预计模拟商议，他们把一块黄金放大到原子级别，截止发现，其名义的原子酿成一种密排的六边形图案，就像蜂巢一样缜密。恰是这种自愿酿成的保护性枚举，让黄金在氧气眼前坚弗成摧。

被诬告了几千年的“惰性”

黄金的耐腐蚀性，东谈主类早在史前期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）：黄金是统共已知金属中贵金属性最强的，其电化学回应电位高达 +1.83 V，在模范情景下不与氧气、水或大多数酸反馈。

此前，学界给出的解释频繁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、能量裁汰，导致其电子既难以失去，也难以参与成键。换言之，金不奈何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程，回答了“金为什么在热力学上不倾向于被氧化”。关连词，腐蚀经常是一个名义历程：氧气当先要与金属名义搏斗，在名义发生吸附，然后分子氧（O₂）要断裂成两个活性氧原子，后者再与金属原子联结，才智触发氧化。

历程的关键瓶颈是 O₂ 的解离。而蒙特莫尔团队的新商议，正聚焦在了这一步上，并在原子层面找到了一个此前被淡薄的谜底。

金的名义，不是一面平整的墙

在宏不雅宇宙里，一块抛光的黄金名义看起来平滑如镜。但在原子要领看，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”情景，倾向于从头排布以降固执量。这一表象称之为名义重构。

黄金是重构表象最为丰富的金属之一。凭据晶面取向的不同，金的低指数面（最常见的几种晶面）各有其重构神志：

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过剩原子，滚球app中国官网下载入口酿成一种反复折叠的波纹图案，被称为鱼骨纹重构（herringbone reconstruction），这是统共金属中最复杂、最私有的面重构；

Au（100）面指的是，原来应呈浮浅方形枚举的名义，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）面则是每隔一排原子就少一排，酿成所谓“缺失行”（missing-row）重构，全体向六方结构逼近。

图 | 氧吸附后 Au(100）、Au(110)、Au(111) 三种晶面的名义重构俯瞰图（起头：arXiv: 2411.16208）

早在数十年前，依然有科学家通过扫描纯碎显微镜和固执电子衍射等践诺时刻，详备纪录了这些重构表象。但环球似乎齐没眷注到一个关键问题：这些重构到底对金的化学惰性有多大孝敬？

预计模拟：远离金的铠甲，望望内部发生了什么

商议东谈主员选拔基于第一性旨趣的预计机模拟，系统商议了氧分子与不同几何结构的金名义相互作用时的作为。团队及第了一系列金名义，粉饰从六方密排到方形/矩形枚举的不同构型，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 分子联结这些名义时，需要越过多高的能量壁垒，才智完成解离（断裂 O-O 键，分裂成两个独处的 O 原子）？

模拟截止露馅，O₂ 在统共金名义上的开动吸附能齐相似隐微，重构与否对这一步险些莫得影响。这意味把稳构无法忙碌 O₂ 联结名义，它的作用全齐体现不才一步：忙碌它断键。

在重构的六方密排名义上，O₂ 解离濒临极高的能量壁垒：氧分子险些找不到合适的“落脚点”来完成断键。这与践诺中块体金极难被氧化的表象高度吻合。在未重构的方形/矩形名义上，情形迥然相异。O₂ 解离所需突出的能量壁垒显耀裁汰，博亚体育app官方网站氧分子能够相对容易地分裂成活性原子氧。

图 | O₂ 解离能垒对比（起头：DOI: 10.1103/g3bc-t1qv）

商议团队对此进行了微能源学建模。在常温常压下，相似经过 10 秒，差别对比 Au（110）名义和 Au（100）名义未重构和重构后的各项参数变化。截止发现，重构对名义氧化的阻碍进度恒久在 9 到 12 个数目级之间，即十亿至万亿倍。举个更形象的例子，淌若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，这个时候要领依然远超寰宇年事。

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，过渡态不错马上酿成，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，才智拼凑容纳过渡态，这一扭曲自己就要虚耗盛大稀奇能量，径直推高了全体能量壁垒。

图 | 三类过渡态的原子几何构型（DOI: 10.1103/g3bc-t1qv）

纳米金为何造反？一起缺欠终于有了解释

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褂讪构型，是原子自愿寻找最固执态的截止。至于抗氧化性，仅仅这种褂讪构型带来的“副居品”。

这也教唆咱们：黄金的惰性，大要不是梗直的热力学褂讪性，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鼓舞。

早在 1985 年，英国化学家格雷汉姆·哈钦斯（Graham Hutchings）便独处发现款能高效催化乙炔的氢氯化反馈，这一发现以致早于春田正毅，仅仅那时相似未引起饱胀嗜好。

自后，春田正毅的发当今那时再次遭到同业的平凡质疑：黄金奈何可能成为好催化剂？但践诺截止无可辩驳。尔后数十年，纳米金催化赶紧发展为一个紧要商议界限，金纳米颗粒被诠释能催化 CO 氧化、烯烃环氧化、醇类弃取性氧化等一系列反馈，其活性之高以致超越铂、钯等传统贵金属催化剂。

科学界建议了多种解释：颗粒尺寸越小，名义积与体积之比越高；边缘和边缘处的低配位原子具有更高的反馈活性；载体与纳米金之间的界面周长是简直的活性位点……这些解释各有撑捏，但恒久短缺一个能够竣工解释“块体金惰性、纳米金活跃”的原子级框架。

蒙特莫尔团队的职责提供了一根紧要的基础表面援助：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枚举更接近方形或矩形，这就属于本商议中发现的低壁垒构型，也成为O₂得以解离、催化反馈得以发生的活性窗口。

从防锈到增活的催化盘算推算启示

目下，金基催化剂在工业上已有内容应用，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紧要化工原料。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宏大后劲，商议东谈主员还在探索用金催化剂径直合成环氧丙烷。

目下，提高金催化活性的计谋主要有两条：一是与其他金属合金化（如掺入铅、银等），改造电子结构；二是将金纳米颗粒负载在特定氧化物名义，行使界面效应提供稀奇活性。

这项商议建议的新想路是：从名义几何泉源。淌若能忙碌 Au（100）或Au（110）面完成重构，或东谈主为褂讪其方形/矩形的名义结构，就有可能在保留金的其他优良脾气的同期，大幅提高其活化O₂的才略。

值得一提的是，拔除重构以提高活性这一计谋，大要在热化学催化和电化学催化两条阶梯上齐能生效。商议者将这一发现蔓延至电化学场景，模拟露馅，在施加不同电位的要求下，重构名义对 O₂ 解离的阻碍截止依然褂讪存在，这对以金为电极材料的电化学体系相似特酷好酷好酷好酷好，举例燃料电板中的氧回应反馈。

不外，如安在真实要求下褂讪一个热力学上并不褂讪的名义构型，是材料合成界限尚未责罚的工程问题。

在名义催化的宇宙里，催化剂经常具有结构明锐性：其名义的原子几何结构，历来是决定反馈活性和弃取性的关键成分之一。但在贵金属界限，商议者永久更眷注电子结构，弗成幸免地忽略了几何成分与化学惰性之间的定量关连。蒙特莫尔团队的预计有劲地诠释，重构也不错是一起能源学障蔽，将 O₂ 招架在解离的门槛除外。

黄金耀眼了几千年，翌日也将不绝耀脚下去。而对金基催化剂的盘算推算者来说，他们简直的敌手，除了金的化学性质，还要和热力学掰掰手腕。

参考内容：

注：封面/首图由 AI 辅助生成博亚体育app官方网站