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黄金为何万年不锈?

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黄金是人类文明史上最受信赖的金属。与早已暗淡锈蚀的铜器、铁器不同,几千年前的金器,今天依然闪闪发光。然而,对于这种经久不锈的特质,化学家长期以来只能用“金不活泼”来解释。

1987 年,日本科学家春田正毅(Masatake Haruta)做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,结果发现,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应。这与黄金化学惰性极强、不适合做催化剂的既往论断完全相悖。

问题随之而来:如果黄金真的如此稳定,它的纳米颗粒为何又如此活跃?

近四十年后,5 月 21 日,美国图兰大学(Tulane University)化学与生物分子工程系副教授马修·蒙特莫尔(Matthew Montemore)和博士后研究员桑图·比斯瓦斯(Santu Biswas)在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一项计算模拟研究,他们把一块黄金放大到原子级别,结果发现,其表面的原子形成一种密排的六边形图案,就像蜂巢一样紧密。正是这种自发形成的保护性排列,让黄金在氧气面前坚不可摧。

被误解了几千年的“惰性”

黄金的耐腐蚀性,人类早在史前时代便已凭直觉意识到了。古埃及法老的陵墓里,黄金器物历经三四千年仍光洁如新。在化学语言里,这种性质被称为化学贵金属性(chemical nobility):黄金是所有已知金属中贵金属性最强的,其电化学还原电位高达 +1.83 V,在标准状态下不与氧气、水或大多数酸反应。


此前,学界给出的解释通常指向黄金的电子结构:金(Au)的 5d 轨道几乎全满,6s 轨道只有一个电子,相对论效应使 6s 轨道收缩、能量降低,导致其电子既难以失去,也难以参与成键。换言之,金不怎么和别的分子交换电子,活性极低。

这个解释并没有错,但它是从体相化学的角度出发,回答了“金为什么在热力学上不倾向于被氧化”。然而,腐蚀往往是一个表面过程:氧气首先要与金属表面接触,在表面发生吸附,然后分子氧(O₂)要断裂成两个活性氧原子,后者再与金属原子结合,才能触发氧化。

过程的关键瓶颈是 O₂ 的解离。而蒙特莫尔团队的新研究,正聚焦在了这一步上,并在原子层面找到了一个此前被忽视的答案。

金的表面,不是一面平整的墙

在宏观世界里,一块抛光的黄金表面看起来平滑如镜。但在原子尺度看,金属表面从来不是如此。表面原子的配位数(邻近原子数)低于体相,这代表它们处于一种高能的“悬空”状态,倾向于重新排布以降低能量。这一现象称之为表面重构。

黄金是重构现象最为丰富的金属之一。根据晶面取向的不同,金的低指数面(最常见的几种晶面)各有其重构方式:

其中,Au(111)面是表面顶层原子自发地在某一方向上增密,每隔 22 个体相原子就插入一个多余原子,形成一种反复折叠的波纹图案,被称为鱼骨纹重构(herringbone reconstruction),这是所有金属中最复杂、最独特的面重构;

Au(100)面指的是,原本应呈简单方形排列的表面,自发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)面则是每隔一行原子就少一行,形成所谓“缺失行”(missing-row)重构,整体向六方结构靠拢。


(来源:arXiv: 2411.16208)

早在数十年前,已经有科学家通过扫描隧道显微镜和低能电子衍射等实验手段,详细记录了这些重构现象。但大家似乎都没关注到一个关键问题:这些重构到底对金的化学惰性有多大贡献?

计算模拟:拆开金的铠甲,看看里面发生了什么

研究人员采用基于第一性原理的计算机模拟,系统研究了氧分子与不同几何结构的金表面相互作用时的行为。团队选取了一系列金表面,覆盖从六方密排到方形/矩形排列的不同构型,核心对比对象是重构后的准六方表面与未重构的方形/矩形表面。他们想知道,当一个 O₂ 分子靠近这些表面时,需要越过多高的能量壁垒,才能完成解离(断裂 O-O 键,分裂成两个独立的 O 原子)?

模拟结果显示,O₂ 在所有金表面上的初始吸附能都同样微弱,重构与否对这一步几乎没有影响。这意味着重构无法阻止 O₂ 靠近表面,它的作用完全体现在下一步:阻止它断键。

在重构的六方密排表面上,O₂ 解离面临极高的能量壁垒:氧分子几乎找不到合适的“落脚点”来完成断键。这与实验中块体金极难被氧化的现象高度吻合。在未重构的方形/矩形表面上,情形截然不同。O₂ 解离所需跨越的能量壁垒显著降低,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(来源:DOI: 10.1103/g3bc-t1qv)

研究团队对此进行了微动力学建模。在常温常压下,同样经过 10 秒,分别对比 Au(110)表面和 Au(100)表面未重构和重构后的各项参数变化。结果发现,重构对表面氧化的抑制程度始终在 9 到 12 个数量级之间,即十亿至万亿倍。举个更形象的例子,如果拥有方形结构的金表面会在 1 秒内被氧化,重构则将金的表面变成了一道密不透风的六边形栅栏,需要数十亿年才会被氧化,这个时间尺度已经远超宇宙年龄。

论文进一步揭示了这一差异背后更深层的力学原因。在 O₂ 解离的过渡态,氧分子需要同时与两个相邻金原子成键。在方形/矩形表面,原子间距天然契合这一几何要求,过渡态可以就地形成,表面结构变形量小。而六方密排表面则不同,它必须先将局部结构扭曲成类方形,才能勉强容纳过渡态,这一扭曲本身就要消耗大量额外能量,直接推高了整体能量壁垒。


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

纳米金为何叛逆?一道裂缝终于有了解释

金的表面重构为准六方结构,它只是该晶面在特定条件下能量最低的稳定构型,是原子自发寻找最低能态的结果。至于抗氧化性,只是这种稳定构型带来的“副产品”。

这也提示我们:黄金的惰性,或许不是纯粹的热力学稳定性,还有一部分源于动力学惰性。因此,即便在热力学角度看,氧化可能发生,重构后的表面几何结构也使这一过程在动力学上极难推进。

早在 1985 年,英国化学家格雷汉姆·哈钦斯(Graham Hutchings)便独立发现金能高效催化乙炔的氢氯化反应,这一发现甚至早于春田正毅,只是当时同样未引起足够重视。

其后,春田正毅的发现在当时再次遭到同行的广泛质疑:黄金怎么可能成为好催化剂?但实验结果无可辩驳。此后数十年,纳米金催化迅速发展为一个重要研究领域,金纳米颗粒被证明能催化 CO 氧化、烯烃环氧化、醇类选择性氧化等一系列反应,其活性之高甚至超越铂、钯等传统贵金属催化剂。

科学界提出了多种解释:颗粒尺寸越小,表面积与体积之比越高;边缘和角落处的低配位原子具有更高的反应活性;载体与纳米金之间的界面周长是真正的活性位点……这些解释各有支撑,但始终缺乏一个能够完美解释“块体金惰性、纳米金活跃”的原子级框架。

蒙特莫尔团队的工作提供了一根重要的基础理论支柱:纳米颗粒太小,无法在表面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排列更接近方形或矩形,这就属于本研究中发现的低壁垒构型,也成为O₂得以解离、催化反应得以发生的活性窗口。

从防锈到增活的催化设计启示

目前,金基催化剂在工业上已有实际应用,比如金-钯(Au-Pd)合金催化剂,用于生产醋酸乙烯酯(vinyl acetate),一种合成聚合物和多种材料的重要化工原料。此外,金纳米催化剂在尾气净化(CO 氧化)、氢燃料电池保护等场景中也有巨大潜力,研究人员还在探索用金催化剂直接合成环氧丙烷。

目前,提升金催化活性的策略主要有两条:一是与其他金属合金化(如掺入铅、银等),改变电子结构;二是将金纳米颗粒负载在特定氧化物表面,利用界面效应提供额外活性。

这项研究提出的新思路是:从表面几何入手。如果能阻止 Au(100)或Au(110)面完成重构,或人为稳定其方形/矩形的表面结构,就有可能在保留金的其他优良特性的同时,大幅提升其活化O₂的能力。

值得一提的是,解除重构以提升活性这一策略,或许在热化学催化和电化学催化两条路线上都能奏效。研究者将这一发现延伸至电化学场景,模拟显示,在施加不同电位的条件下,重构表面对 O₂ 解离的抑制效果依然稳定存在,这对以金为电极材料的电化学体系同样有意义,例如燃料电池中的氧还原反应。

不过,如何在真实条件下稳定一个热力学上并不稳定的表面构型,是材料合成领域尚未解决的工程问题。

在表面催化的世界里,催化剂往往具有结构敏感性:其表面的原子几何结构,历来是决定反应活性和选择性的关键因素之一。但在贵金属领域,研究者长期更关注电子结构,不可避免地忽略了几何因素与化学惰性之间的定量关联。蒙特莫尔团队的计算有力地证明,重构也可以是一道动力学屏障,将 O₂ 阻挡在解离的门槛之外。

黄金闪耀了几千年,未来也将继续闪耀下去。而对金基催化剂的设计者来说,他们真正的对手,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

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