黄金是东说念主类精采无比史上最受相信的金属。与早已阴霾锈蚀的铜器、铁器不同，几千年前的金器，今天依然闪闪发光。关系词，关于这种历久不锈的特色，化学家遥远以来只可用“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推行：他把黄金制成纳米颗粒，负载在金属氧化物上，闭幕发现，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十足违犯。

问题随之而来：若是黄金果然如斯牢固，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熏陶马修·蒙特莫尔（Matthew Montemore）和博士后商榷员桑图·比斯瓦斯（Santu Biswas）在《物理批驳快报》（Physical Review Letters）上发表了一项筹备模拟商榷，他们把一块黄金放大到原子级别，闭幕发现，其名义的原子酿成一种密排的六边形图案，就像蜂巢一样良好。恰是这种自愿酿成的保护性罗列，让黄金在氧气眼前坚弗成摧。

被污蔑了几千年的“惰性”

黄金的耐腐蚀性，东说念主类早在史前时期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。在化学话语里，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，其电化学规复电位高达 +1.83 V，在法度状况下不与氧气、水或大多数酸反馈。

此前，学界给出的解释经常指向黄金的电子结构：金（Au）的 5d 轨说念简直全满，6s 轨说念只消一个电子，相对论效应使 6s 轨说念松开、能量裁减，导致其电子既难以失去，也难以参与成键。换言之，金不怎么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登程，恢复了“金为什么在热力学上不倾向于被氧化”。关系词，腐蚀往往是一个名义经由：氧气率先要与金属名义斗殴，在名义发生吸附，然后分子氧（O₂）要断裂成两个活性氧原子，后者再与金属原子讨论，才调触发氧化。

经由的关键瓶颈是 O₂ 的解离。而蒙特莫尔团队的新商榷，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

在宏不雅寰宇里，一块抛光的黄金名义看起来平滑如镜。但在原子圭臬看，金属名义从来不是如斯。名义原子的配位数（相近原子数）低于体相，这代表它们处于一种高能的“悬空”状况，倾向于再行排布以降稚童量。这一原意称之为名义重构。

黄金是重构原意最为丰富的金属之一。字据晶面取向的不同，金的低指数面（最常见的几种晶面）各有其重构口头：

其中，Au（111）面是名义顶层原子自愿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），这是通盘金属中最复杂、最私有的面重构；

Au（100）面指的是，正本应呈通俗方形罗列的名义，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）面则是每隔一滑原子就少一滑，酿成所谓“缺失行”（missing-row）重构，举座向六方结构逼近。

早在数十年前，已经有科学家通过扫描纯正显微镜和稚童电子衍射等推行时刻，精明纪录了这些重构原意。但众人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？

筹备模拟：终止金的铠甲，望望内部发生了什么

商榷东说念主员遴选基于第一性旨趣的筹备机模拟，系统商榷了氧分子与不同几何结构的金名义相互作用时的举止。团队中式了一系列金名义，障翳从六方密排到方形/矩形罗列的不同构型，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，才调完成解离（断裂 O-O 键，分裂成两个孤独的 O 原子）？

模拟闭幕显现，O₂ 在通盘金名义上的运转吸附能齐雷同幽微，重构与否对这一步简直莫得影响。这意味珍惜构无法遮盖 O₂ 围聚名义，它的作用十足体现鄙人一步：遮盖它断键。

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。这与推行中块体金极难被氧化的原意高度吻合。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显耀裁减，买球投注平台氧分子能够相对容易地分裂成活性原子氧。

商榷团队对此进行了微能源学建模。在常温常压下，雷同经过 10 秒，分裂对比 Au（110）名义和 Au（100）名义未重构和重构后的各项参数变化。闭幕发现，重构对名义氧化的扼制进度恒久在 9 到 12 个数目级之间，即十亿至万亿倍。举个更形象的例子，若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沿路密不通风的六边形栅栏，需要数十亿年才会被氧化，这个时候圭臬已经远超天地年事。

论文进一步揭示了这一相反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，才调拼凑容纳过渡态，这一扭曲自己就要破钞多数稀薄能量，径直推高了举座能量壁垒。

纳米金为何叛变？沿路间隙终于有了解释

金的名义重构为准六方结构，它仅仅该晶面在特定要求下能量最低的牢固构型，是原子自愿寻找最稚童态的闭幕。至于抗氧化性，仅仅这种牢固构型带来的“副居品”。

这也教导咱们：黄金的惰性，简略不是死活之交的热力学牢固性，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还是由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，仅仅其时雷同未引起填塞怜爱。

自后，春田正毅的发当今其时再次遭到同业的平凡质疑：黄金怎么可能成为好催化剂？但推行闭幕无可辩驳。而后数十年，纳米金催化飞快发展为一个紧迫商榷畛域，金纳米颗粒被解释能催化 CO 氧化、烯烃环氧化、醇类采用性氧化等一系列反馈，其活性之高以致卓绝铂、钯等传统贵金属催化剂。

科学界提议了多种解释：颗粒尺寸越小，名义积与体积之比越高；边缘和旯旮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真确的活性位点……这些解释各有撑捏，但恒久穷乏一个能够竣工解释“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迫的基础表面救援：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罗列更接近方形或矩形，这就属于本商榷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运筹帷幄启示

咫尺，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迫化工原料。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雄壮后劲，商榷东说念主员还在探索用金催化剂径直合成环氧丙烷。

咫尺，提拔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），改革电子结构；二是将金纳米颗粒负载在特定氧化物名义，运用界面效应提供稀薄活性。

这项商榷提议的新想路是：从名义几何出手。若是能遮盖 Au（100）或Au（110）面完成重构，或东说念主为牢固其方形/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，大幅提拔其活化O₂的智商。

值得一提的是，捣毁重构以提拔活性这一计谋，简略在热化学催化和电化学催化两条蹊径上齐能见效。商榷者将这一发现延迟至电化学场景，模拟显现，在施加不同电位的要求下，重构名义对 O₂ 解离的扼制服从依然牢固存在，这对以金为电极材料的电化学体系雷同专门旨，举例燃料电板中的氧规复反馈。

不外，如安在着实要求下牢固一个热力学上并不牢固的名义构型，是材料合成畛域尚未处置的工程问题。

在名义催化的寰宇里，催化剂往往具有结构敏锐性：其名义的原子几何结构，历来是决定反馈活性和采用性的关键成分之一。但在贵金属畛域，商榷者遥远更眷注电子结构，弗成幸免地忽略了几何成分与化学惰性之间的定量关系。蒙特莫尔团队的筹备有劲地解释，重构也不错是沿路能源学樊篱，将 O₂ 违犯在解离的门槛除外。

黄金耀眼了几千年，将来也将连接耀脚下去。而对金基催化剂的运筹帷幄者来说，他们真确的敌手，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