黄金是东说念主类娴雅史上最受信托的金属。与早已昏黑锈蚀的铜器、铁器不同，几千年前的金器，今天依然闪闪发光。议论词，关于这种长久不锈的特点，化学家长久以来只可用“金不汜博”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履行：他把黄金制成纳米颗粒，负载在金属氧化物上，收敛发现，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论隔绝对相反。

问题随之而来：如若黄金真实如斯踏实，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教化马修·蒙特莫尔（Matthew Montemore）和博士后磋磨员桑图·比斯瓦斯（Santu Biswas）在《物理驳倒快报》（Physical Review Letters）上发表了一项计较模拟磋磨，他们把一块黄金放大到原子级别，收敛发现，其名义的原子酿成一种密排的六边形图案，就像蜂巢一样概述。恰是这种自觉酿成的保护性枚举，让黄金在氧气眼前坚不行摧。

被歪曲了几千年的“惰性”

黄金的耐腐蚀性，东说念主类早在史前期间便已凭直观涌现到了。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）：黄金是系数已知金属中贵金属性最强的，其电化学复原电位高达 +1.83 V，在标准气象下不与氧气、水或大多数酸反馈。

此前，学界给出的解释常常指向黄金的电子结构：金（Au）的 5d 轨说念简直全满，6s 轨说念唯唯一个电子，相对论效应使 6s 轨说念松开、能量裁汰，导致其电子既难以失去，也难以参与成键。换言之，金不怎样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，回应了“金为什么在热力学上不倾向于被氧化”。议论词，腐蚀常常是一个名义进程：氧气最初要与金属名义斗争，在名义发生吸附，然后分子氧（O₂）要断裂成两个活性氧原子，后者再与金属原子联接，才气触发氧化。

进程的关键瓶颈是 O₂ 的解离。而蒙特莫尔团队的新磋磨，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。但在原子范例看，金属名义从来不是如斯。名义原子的配位数（左近原子数）低于体相，这代表它们处于一种高能的“悬空”气象，倾向于再行排布以降愚顽量。这一现象称之为名义重构。

黄金是重构现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）各有其重构气象：

其中，Au（111）面是名义顶层原子自觉地在某一方进取增密，每隔 22 个体相原子就插入一个过剩原子，酿成一种反复折叠的波纹图案，被称为鱼骨纹重构（herringbone reconstruction），这是系数金属中最复杂、最专有的面重构；

Au（100）面指的是，原来应呈简单方形枚举的名义，自觉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，酿成所谓“缺失行”（missing-row）重构，合座向六方结构迫临。

早在数十年前，还是有科学家通过扫描纯正显微镜和愚顽电子衍射等履行时刻，细心纪录了这些重构现象。但民众似乎皆没关怀到一个关键问题：这些重构到底对金的化学惰性有多大孝敬？

计较模拟：停止金的铠甲，望望内部发生了什么

磋磨东说念主员接收基于第一性旨趣的计较机模拟，系统磋磨了氧分子与不同几何结构的金名义相互作用时的举止。团队登科了一系列金名义，祛除从六方密排到方形/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。他们想知说念，当一个 O₂ 分子围聚这些名义时，需要越过多高的能量壁垒，才气完成解离（断裂 O-O 键，分裂成两个孤独的 O 原子）？

模拟收敛流露，O₂ 在系数金名义上的启动吸附能皆相同微弱，重构与否对这一步简直莫得影响。这意味防卫构无法阻止 O₂ 围聚名义，它的作用澈底体现鄙人一步：阻止它断键。

在重构的六方密排名义上，O₂ 解离濒临极高的能量壁垒：氧分子简直找不到合适的“落脚点”来完成断键。这与履行中块体金极难被氧化的现象高度吻合。在未重构的方形/矩形名义上，情形判然不同。O₂ 解离所需高出的能量壁垒权臣裁汰，江南app体育官网下载氧分子能够相对容易地分裂成活性原子氧。

磋磨团队对此进行了微能源学建模。在常温常压下，相同经过 10 秒，分散对比 Au（110）名义和 Au（100）名义未重构和重构后的各项参数变化。收敛发现，重构对名义氧化的扼制进度长久在 9 到 12 个数目级之间，即十亿至万亿倍。举个更形象的例子，如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齐密不通风的六边形栅栏，需要数十亿年才会被氧化，这个时刻范例还是远超天下年齿。

论文进一步揭示了这一互异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，才气对付容纳过渡态，这一扭曲自己就要阔绰大量额外能量，径直推高了合座能量壁垒。

纳米金为何叛变？一齐罅隙终于有了解释

金的名义重构为准六方结构，它仅仅该晶面在特定条款下能量最低的踏实构型，是原子自觉寻找最愚顽态的收敛。至于抗氧化性，仅仅这种踏实构型带来的“副家具”。

这也教导咱们：黄金的惰性，或者不是任意的热力学踏实性，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进程在能源学上极难激动。

早在 1985 年，英国化学家格雷汉姆·哈钦斯（Graham Hutchings）便孤独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，仅仅那时相同未引起充足青睐。

自后，春田正毅的发当前那时再次遭到同业的平凡质疑：黄金怎样可能成为好催化剂？但履行收敛无可辩驳。尔后数十年，纳米金催化赶快发展为一个攻击磋磨范围，金纳米颗粒被阐扬能催化 CO 氧化、烯烃环氧化、醇类采取性氧化等一系列反馈，其活性之高以致颠倒铂、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确切的活性位点……这些解释各有撑捏，但长久短少一个能够无缺解释“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攻击的基础表面扶直：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，这就属于本磋磨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诡计启示

当前，金基催化剂在工业上已有实质应用，比如金-钯（Au-Pd）合金催化剂，用于坐蓐醋酸乙烯酯（vinyl acetate），一种合成团聚物和多种材料的攻击化工原料。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稠密后劲，磋磨东说念主员还在探索用金催化剂径直合成环氧丙烷。

当前，提高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），改动电子结构；二是将金纳米颗粒负载在特定氧化物名义，哄骗界面效应提供额外活性。

这项磋磨建议的新想路是：从名义几何脱手。如若能阻止 Au（100）或Au（110）面完成重构，或东说念主为踏实其方形/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，大幅提高其活化O₂的才气。

值得一提的是，排除重构以提高活性这一政策，或者在热化学催化和电化学催化两条阶梯上皆能见效。磋磨者将这一发现蔓延至电化学场景，模拟流露，在施加不同电位的条款下，重构名义对 O₂ 解离的扼制收敛依然踏实存在，这对以金为电极材料的电化学体系相同有有趣有趣，举例燃料电板中的氧复原反馈。

不外，如安在真实条款下踏实一个热力学上并不踏实的名义构型，是材料合成范围尚未科罚的工程问题。

在名义催化的世界里，催化剂常常具有结构明锐性：其名义的原子几何结构，历来是决定反馈活性和采取性的关键身分之一。但在贵金属范围，磋磨者长久更关怀电子结构，不行幸免地忽略了几何身分与化学惰性之间的定量议论。蒙特莫尔团队的计较有劲地阐扬，重构也不错是一齐能源学樊篱，将 O₂ 违抗在解离的门槛除外。

黄金醒目了几千年，异日也将连续醒目下去。而对金基催化剂的诡计者来说，他们确切的敌手，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