超耐久金催化剂有望为工业带来变革
包括东京大学在内的研究人员首次发现了一种通过创建金属氧化物团簇保护层来提高金催化剂耐久性的方法。与未受保护的同类材料相比，增强型金催化剂能承受更大时间范围的物理环境。这可以增加其可能的应用范围，并在某些情况下降低能耗和成本。这些催化剂广泛应用于化学合成和药品生产等工业领域，这些行业都可以从改进的金催化剂中受益。
每个人都喜欢黄金：运动员、海盗、银行家--每个人。从历史上看，黄金就是一种极具吸引力的金属，可以用来制作奖牌、珠宝、硬币等。
黄金之所以如此闪亮诱人，是因为它的化学性质能够抵御其他材料可能褪色的物理条件，例如高温、高压、氧化和其他有害物质。
然而，矛盾的是，在纳米尺度上，微小的金颗粒却逆转了这一趋势，变得非常活跃，以至于长期以来，它们一直是实现各种催化剂的关键，这些催化剂是加速或以某种方式使化学反应发生的中间物质。换句话说，它们是将一种物质转化为另一种物质的有用或必要物质，因此在合成和制造中得到广泛应用。
硫醇和有机聚合物保护是增加金纳米粒子韧性的两种现有方法。右图是研究人员使用聚氧化金属盐的新方法。图片来源：©2024 Suzuki et al.
增强型金催化剂背后的创新
东京大学应用化学系副教授 Kosuke Suzuki 说："金是一种神奇的金属，在社会上，尤其是在科学领域，受到人们的赞誉是理所当然的。金是催化剂的理想材料，可以帮助我们合成包括药物在内的各种物质。原因在于金对吸收分子的亲和力较低，而且对与之结合的物质具有高度选择性，因此可以非常精确地控制化学合成过程。与传统催化剂相比，金催化剂通常在较低的温度和压力下工作，需要的能源更少，对环境的影响也更小"。
研究人员利用环形暗场扫描透射电子显微镜技术制作的新型纳米粒子的原子分辨率图像。图片来源：©2024 Suzuki et al.
尽管金很好，但它也有一些缺点。金的颗粒越小，它的反应性就越强，而且在一定程度上，用金制造的催化剂会开始受到热、压力、腐蚀、氧化和其他条件的负面影响。铃木和他的团队认为他们可以改善这种情况，并设计出一种新型保护剂，可以让金催化剂在更大范围的物理条件下保持其有用功能，而这些物理条件通常会阻碍或破坏典型的金催化剂。
"目前催化剂中使用的金纳米粒子具有一定程度的保护作用，这要归功于十二硫醇和有机聚合物等制剂。但我们的新技术是基于一种被称为聚氧化金属盐的金属氧化物簇，它的效果要好得多，尤其是在氧化应激方面，"Suzuki 说。
"我们目前正在研究聚氧化金属酸盐的新型结构和应用。这次我们将聚氧化金属酸盐应用于金纳米粒子，并确定聚氧化金属酸盐提高了纳米粒子的耐久性。真正的挑战在于应用各种分析技术来测试和验证这一切"。
研究小组使用了多种统称为光谱学的技术。他们使用了不下六种光谱学方法，这些方法所揭示的有关物质及其行为的信息种类各不相同。但一般来说，它们的工作原理都是将某种光线投射到物质上，然后用专门的传感器测量光线如何发生某种变化。铃木和他的团队花了几个月的时间，对他们的实验材料进行了各种测试和不同的配置，直到他们找到了他们想要的东西。
铃木说："我们的目标不仅仅是改进某些化学合成方法。我们的增强型金纳米粒子有很多应用，可以造福社会，分解污染的催化剂（许多汽油车已经配备了我们熟悉的催化转换器）、影响较小的杀虫剂、可再生能源的绿色化学、医疗干预措施、食源性病原体传感器，等等，不胜枚举。但我们还想走得更远。下一步的工作将是改进物理条件的范围，使金纳米粒子更能适应物理条件，同时研究如何为其他有用的催化金属（如钌、铑、铼，当然还有比金更受人们推崇的东西：铂）增加一些耐久性"。
编译来源：ScitechDaily
