真金不怕火煉！抗1100℃高溫的納米金催化劑研製成功

圖片來自網路

　　來源：中科院之聲

　　黃金，是具有永久價值的「高貴」金屬，一直作為人類社會財富和權力的載體而得到青睞。然而，決定黃金這種「高貴」地位的化學惰性，曾一度讓化學家喜歡不起來。

　　直到20世紀80年代，科學家發現納米小尺寸金粒子對許多化學反應都具有非凡的催化作用，並由此引發了催化領域乃至納米科技領域的「淘金熱」。這種高化學惰性和高催化活性的巨大反差，刷新了人們對黃金的認識，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定性極差。據測算，2納米大小的金粒子在330℃就會熔化成液滴，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。黃金的熔點低（1064℃，鉑1763℃），讓穩定小尺寸金納米粒子成為近乎不可能實現的任務。

　　金的低熔點和高熱穩定性這一對冤家能否像其高化學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隊與清華大學李雋教授團隊合作，製備出來可抗1100℃高溫的納米金催化劑，將尺寸約為3納米的金粒子的穩定溫度提高到黃金的熔點以上。

　　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離子球的堆積體，氧負離子球的空隙中填充了直徑更小的金屬陽離子球。這些氧負離子球的空隙也是金原子球喜歡停留的落腳點。簡單的講，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候，兩塊樂高磚塊才可以牢固的結合在一起。

　　如何找到適合納米金「樂高磚塊」的氧化物「樂高磚塊」呢？研究團隊通過理論計算髮現，鎵酸鎂尖晶石氧化物是理想的選擇之一。果然，經過實驗，將小尺寸金納米粒子負載在鎵酸鎂尖晶石後，約3納米大小的金納米粒子在經過800甚至1100攝氏度焙燒後仍然存在！

　　在高於黃金熔點的溫度下，金納米粒子仍然穩定存在，這顯然違反了單質金晶體所必須遵循的熱力學定律。預示著金與鎵酸鎂尖晶石結合後，已經改變了性質。確實，在高倍電子顯微鏡下觀察被加熱到1100攝氏度的樣品發現，金粒子牢固地與鎵酸鎂尖晶石結合在一起，仍然以納米晶體的結構存在，並未被熔化成液滴。二者像長在一起一樣，形成了一種新的物質結構，研究者稱之為金屬-氧化物「異質孿晶」結構。

　　這種金與載體界面結構的變化，並未影響金納米粒子的其他表面上金原子的催化能力。由於其同時具有很高的熱穩定性和催化活性，有望推動納米金催化劑在眾多重要化工及環保催化反應過程中的工業化應用進程。比如，該催化劑即使經過800攝氏度高溫焙燒後，仍能在較低的溫度下高效地催化一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應，可以解決當前柴油車尾氣氧化催化劑在低溫時消除上述污染物不力的問題。

　　從超低溫催化活性到超高溫熱穩定性，納米金梅開二度，再次呈現出對立統一的魅力。納米金能否梅開三度，驚艷世人，讓我們拭目以待。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！