RW Space

Есть несколько веских причин, по которым золото является одним из самых ценных металлов на Земле.

Не последней из них является его сверкающий блеск. В отличие от многих других металлов, золото чрезвычайно устойчиво к ржавчине, потускнению и коррозии — через тысячи лет оно будет сиять таким же ярко-желтым, как и сегодня.

Это свойство известно как химическое благородство, что означает, что элемент имеет низкую реакционную способность.

Золото — самый благородный из всех известных металлов — оно не реагирует легко с такими веществами, как кислород, который связывается с атомами на поверхностных слоях других металлов, образуя ржавчину или

Теперь компьютерные химики Санту Бисвас и Мэтью М. Монтемор из Тулейнского университета в США выяснили, почему.

Согласно их исследованиям, расположение атомов на поверхности золота образует настолько плотно упакованный узор, что молекула дикислорода, которая в противном случае взаимодействовала бы с ним, не могла бы достаточно легко разорвать его, чтобы вызвать окисление.

Расслабляйте немного этот узор, и золото может стать значительно более уязвимым к ржавчине – но на самом деле это может это хорошо.

В химии активация кислорода — важный шаг, позволяющий протекать другим реакциям. Например, чтобы преобразовать угарный газ в углекислый газ, вам нужен свободный реакционноспособный атом кислорода, который может присоединиться к CO и превратить его в CO₂.

Для этого ученые могут «активировать» дикислород с помощью металлической поверхности, которая помогает разделить молекулу на два высокореактивных атома кислорода.

Золото было бы особенно желательным катализатором для этой реакции, потому что оно настолько инертно, то есть не вступает в сильную реакцию с другими атомами или молекулами.

Некоторые катализаторы активации кислорода гораздо более реакционноспособны, что может генерировать нежелательные побочные продукты, или сам катализатор слишком сильно связывается с кислородом и подвергается коррозии. время.

Вы можете подумать, что золото будет плохим кандидатом для такого рода работ, но в 1980-х годах ученые сделали шокирующее открытие.

Хотя объемное золото не подходит для кислородного катализа, наночастицы золота удивительно эффективны в активации кислорода.

Это открытие подняло большой вопрос.

Если золото так сильно сопротивляется кислороду, как эти крошечные частицы вообще способны запускать реакции окисления?

новое исследование предполагает, что ответ может заключаться в том, как атомы расположены на поверхности золота.

Бисвас и Монтемор использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить, что происходит, когда молекулы кислорода вступают в контакт с наноскопическими поверхностями золота с различным расположением атомов.

В частности, они изучали два разных типа узоров: «реконструированные» поверхности, на которых атомы располагаются в плотно упакованном гексагональном расположении, которое естественно предпочитает золото; и «нереконструированные» поверхности, которые образуют более рыхлые квадратные узоры.

Разница между двумя типами поверхностей была поразительной.

На реконструированных поверхностях взаимодействие происходило именно так, как и ожидалось. Молекула кислорода не могла легко разделиться на два атома кислорода, как это наблюдалось в реальных сценариях с использованием объемного золота.

На нереконструированных поверхностях сценарий не мог быть более иным. Молекулы кислорода довольно легко распадаются.

Моделирование показывает, что это происходит потому, что на плотно упакованной шестиугольной поверхности молекулы кислорода не могут найти достаточно места, чтобы легко распасться.

Квадратные узоры имеют более свободную геометрию с этим встроенным пространством, и молекулам кислорода гораздо легче найти достаточно места для разделения.

Насколько легче? Исследователи обнаружили, что на многие порядки. Диссоциация кислорода на нереконструированных поверхностях происходила в миллиарды-триллионы раз быстрее, чем на реконструированных.

Это может помочь объяснить, почему крошечные наночастицы золота ведут себя так иначе, чем золото в массе. Мелкие частицы могут не полностью развить плотно упакованные реконструированные поверхности, наблюдаемые в более крупных кусках золота, оставляя открытыми более реакционноспособные квадратные области.

Плотное расположение поверхностных атомов на объемном золоте не обязательно предназначено для сопротивления окислению; это просто самая стабильная конфигурация для металла. Устойчивость к коррозии — всего лишь крутой побочный эффект этого.

По теме: Огромный источник природного водорода скрывается в древних канадских скалах

Новые результаты могут помочь ученым разработать золотые катализаторы, которые уравновешивают коррозионную стойкость с эффективной активацией кислорода.

«Это дает новое понимание того, почему золото настолько инертно по отношению к дикислороду, и предполагает, что создание поверхностей с квадратной или прямоугольной структурой может значительно улучшить каталитическую активность в реакциях окисления золота», — говорят исследователи. напишите.

«Наши результаты открывают новую стратегию разработки катализаторов на основе золота, которые минимизируют реконструкцию или стабилизируют квадратные мотивы для усиления активации дикислорода».

Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.