不一样的元素故事: "无聊"的金｜《自然-化学》专栏

本文是《自然-化学》元素故事系列的第7篇文章：金色未来 。

原文作者：Graham Hutchings，英国卡迪夫大学化学院教授 

金催化剂已经快速发展成一个拥有巨大潜力的重要研究领域，新发现正与日俱增。在本文中，Graham hutchings讲述了这一切的前因后果。 

金是最贵重的元素，因此它在金融、艺术以及珠宝界处于核心地位。一些伟大的文物，比如图坦卡蒙木乃伊的面具，能够至今仍保持着几千年前被刚刚制造出来时的美丽，就要归功于这种性质。金也是财富的代名词，炼金术士用了数百年一直妄图用基础元素来制造出金；曾有一个被称为水银派（Mercurialists）的炼金学派认为金是能由汞和硫制成的。 

金原子组成的小型簇合物，如图中所示的附着在氧化铁上的Au10，可能与其对一氧化碳的氧化具有高催化活性的机理相关 。

金被认为是永恒的元素，换言之它是不可改变的，也就是说我们不应该期待它有任何化学活性。确实，化学教科书里与金相关的内容总是页数最少的——在化学上，它往往被认为是一种比较无聊的元素。

然而，自20世纪80年代至今，情况已大有不同。将金分成仅含有几个原子的微小的纳米级碎片，它就会成为一种异常有效的催化剂，而催化剂是制造如今大部分商品的关键。对金催化剂这一奇观的阐明耗时许久，这都是因为我们先入为主的偏见——在化学上，人们过去一直认为金是无趣的、不太会参与反应，没人想过进行更深入的研究。 

20世纪80年代，时间相去不远的两个发现使得化学家们开始对金予以重新审视。在日本大阪工业技术试验所工作的春田正毅尝试合成含金的混合氧化物，并发现这些材料能以极高的活性催化一氧化碳的氧化。紧接着，他发现金原子是在氧化物基底上组成了纳米颗粒。这一组合在温度低至–76 °C仍能保持催化活性，这已经很接近地球上的最低环境温度（南极沃斯托克的–89.2 °C）了——因此金可以被广泛的应用于室温下一氧化碳的氧化。 

金催化剂的卓越活性使得人们对这一元素兴趣暴增；化学界迫切的想要理解金的效率为什么如此之高。起初，研究者们认为活性物种是直径大约为2–5 nm的金纳米颗粒。然而，这一结论是当时有限的电子显微镜分辨率的结果。伴随着像差校正显微镜的出现，单个金原子的成像已经可以实现；现在我们了解到金的催化活性应当来自于非常小的金原子簇，每个仅含有7到10个原子。

当春田在日本做出他的发现时，我正在南非工作，试图找出一个催化乙炔氢氯化的催化剂，而乙炔氢氯化是生产PVC的关键步骤。工业上一直使用对环境有害的氯化汞作为这一步的催化剂。在1982年9月的一个下雨的星期六下午，我正在约翰尼斯堡分析已发表的多达三十余种的金属氯化物催化活性的数据；可以看出，使用不同的金属氯化物作为催化剂，可以产生极大的催化活性差别。

这些数据并不能用来作出有效预测。但在以活性数据与标准电极电势为坐标轴绘制关系图之后，相关性立刻浮出水面。这对我来说真如醍醐灌顶：我能够预测金将是这个反应最好的催化剂，并紧接着用实验证明了这一预测——这是我与金催化剂的第一次美妙邂逅。

在均相催化和异相催化上，金如今成了很多新发现中的关键所在。它也为进军绿色可持续性化学发展提供了新的方向。除了一氧化碳氧化和乙炔氢氯化这两个金最初显现出催化活性的反应之外——至今金仍是其最佳催化剂——对其他的氧化反应而言，金也是同样高效的，尤其是对烯烃环氧化和醇氧化的催化，包括生物可再生原料如甘油和糖的氧化。

金也是高选择性的加氢催化剂。此外，金与钯结合后，还能极好地催化由氢和氧直接生产过氧化氢的反应，这可能为这一日用化学品的生产制造提供一个更加环保的路线。

现在偶尔会忍不住想：金将会是所有反应最好的催化剂；尽管很明显并不是这样，但金这名元素灰姑娘确实已经褪去了不起眼的装束，正要步入反应活性的高端舞会。ⓝ 

还没看够金吗？来看一下这个Nature Video：纳米金的未来

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=w034177jqg4&width=500&height=375&auto=0

原文以A golden future为标题

发布在2009年10月1日的《自然-化学》In Your Element上

nchem|doi:10.1038/nchem.388

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