五种金属构造出性能更优异的纳米晶体
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2026-05-11 09:06:19
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美国斯坦福大学与韩国科学技术院科学家,构建出一种包含五种不同金属的纳米晶体,他们发现金属种类越多,颗粒反而越均匀。这一发现开启了纳米材料制备的新篇章,并有望直接影响氢能的未来。相关论文发表于近日出版的《科学》杂志。

纳米晶体由几个到几千个原子精确有序排列而成,广泛用于计算机和智能手机的晶体管、显示屏等产品内。其“娇小”体型带来巨大的表面积与体积比,使之成为性能优异的催化剂。

此次团队尝试超越简单的单金属纳米晶体,挑战五种金属的混合构建的纳米晶体。但这绝非易事,因为每种金属的行为不同,还原为纯金属的速度和温度也各不相同。

团队选择以钌这种珍贵且高活性的金属为起点,再加入四种更便宜、更丰富的材料:铁、钴、镍和铜。人们普遍认为,金属越多,局面越混乱。事实起初确实如此:两种金属与钌结合时,一片混乱,添入第三种也无济于事。但当金属种类增加到五种,混乱消失了。在31种可能的产品组合中,出现了一种单一均匀的五金属纳米晶体,所有元素颗粒都保持稳定的比例。

铜是破解这场“混乱到有序”之谜的关键。四种廉价金属中,铜最“贵”,最易被还原成金属。它率先沉积于钌种子颗粒上,却并不与钌混合,而是与之并排,形成一个异二聚体,充当稳定的支架。随后,该铜钌结构发出化学“邀请”:钴亲近钌,镍亲近铜。最难还原的铁最后包裹在外,长成一个洋葱状的颗粒,其核心是钌,旁边立着铜,钴镍组成中间壳层,最外层则富含铁。而且,整个过程自发形成。

除合成突破外,团队还证明,在日益重要的氨分解反应中,该五金属纳米晶体的表现远超单一金属。

氢气难储运,可与氮气化合成氨,便于液化运输;到目的地后,再将氨分解为氢气和氮气。但分解通常需要超过600℃的高温,对催化剂是极大挑战。测试显示,该五金属纳米晶体催化剂的反应速率比标准钌催化剂高出4倍。而且,即使在900℃下连续工作12小时,该催化剂依然性能不减,而单金属钌催化剂此时早已显著老化。(记者刘霞)

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