包括東京大學在內的研究人員首次發現了一種透過創建金屬氧化物簇保護層來提高金催化劑耐久性的方法。與未受保護的同類材料相比，增強型金催化劑能承受更大時間範圍的物理環境。這可以增加其可能的應用範圍，並在某些情況下降低能耗和成本。這些催化劑廣泛應用於化學合成和藥品生產等工業領域，這些產業都可以從改進的金催化劑中受益。

每個人都喜歡黃金：運動員、海盜、銀行家–每個人。從歷史上看，黃金就是一種極具吸引力的金屬，可以用來製作獎牌、珠寶、硬幣等。

黃金之所以如此閃亮誘人，是因為它的化學性質能夠抵禦其他材料可能褪色的物理條件，例如高溫、高壓、氧化和其他有害物質。

然而，矛盾的是，在奈米尺度上，微小的金顆粒卻逆轉了這一趨勢，變得非常活躍，以至於長期以來，它們一直是實現各種催化劑的關鍵，這些催化劑是加速或某種方式使化學反應發生的中間物質。換句話說，它們是將一種物質轉化為另一種物質的有用或必要物質，因此在合成和製造中廣泛使用。

硫醇和有機聚合物保護是增加金奈米粒子韌性的兩種現有方法。右圖是研究人員使用聚氧化金屬鹽的新方法。圖片來源：©2024 Suzuki et al.

增強型金催化劑背後的創新

東京大學應用化學系副教授Kosuke Suzuki 說：”金是一種神奇的金屬，在社會上，尤其是在科學領域，受到人們的讚譽是理所當然的。金是催化劑的理想材料，可以幫助我們合成包括藥物在內的各種物質。原因在於金對吸收分子的親和力較低，而且對與之結合的物質具有高度選擇性，因此可以非常精確地控制化學合成過程。與傳統催化劑相比，金催化劑通常在較低的溫度和壓力下工作，需要的能源更少，對環境的影響也更小”。

研究人員利用環形暗場掃描透射電子顯微鏡技術製作的新型奈米粒子的原子解析度影像。圖片來源：©2024 Suzuki et al.

儘管金很好，但它也有一些缺點。金的顆粒越小，它的反應性就越強，而且在一定程度上，用金製造的催化劑會開始受到熱、壓力、腐蝕、氧化和其他條件的負面影響。鈴木和他的團隊認為他們可以改善這種情況，並設計出一種新型保護劑，可以讓金催化劑在更大範圍的物理條件下保持其有用功能，而這些物理條件通常會阻礙或破壞典型的金催化劑。

“目前催化劑中使用的金奈米粒子具有一定程度的保護作用，這要歸功於十二硫醇和有機聚合物等製劑。但我們的新技術是基於一種被稱為聚氧化金屬鹽的金屬氧化物簇，它的效果要好得多，尤其是在氧化壓力方面，”Suzuki 說。

“我們目前正在研究聚氧化金屬酸鹽的新型結構和應用。這次我們將聚氧化金屬酸鹽應用於金奈米粒子，並確定聚氧化金屬酸鹽提高了奈米粒子的耐久性。真正的挑戰在於應用各種分析技術來測試和驗證這一切”。

研究團隊使用了多種統稱為光譜學的技術。他們使用了不下六種光譜學方法，這些方法所揭示的有關物質及其行為的資訊種類各不相同。但一般來說，它們的工作原理都是將某種光線投射到物質上，然後用專門的感測器測量光線如何發生某種變化。鈴木和他的團隊花了幾個月的時間，對他們的實驗材料進行了各種測試和不同的配置，直到他們找到了他們想要的東西。

鈴木說：「我們的目標不僅僅是改進某些化學合成方法。我們的增強型金奈米粒子有很多應用，可以造福社會，分解污染的催化劑（許多汽油車已經配備了我們熟悉的催化轉換器） 、影響較小的殺蟲劑、再生能源的綠色化學、醫療幹預措施、食源性病原體感測器，等等，不勝枚舉。但我們還想走得更遠。下一步的工作將是改進物理條件的範圍，使金奈米粒子更能適應物理條件，同時研究如何為其他有用的催化金屬（如釕、銠、錸，當然還有比金更受人們推崇的東西：鉑）增加一些耐久性” 。

編譯來源：ScitechDaily