五种金属构造出性能更优异的纳米晶体
发布时间: 2026-05-13 12:06:08
科技日报讯（记者刘霞）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。
不同钌基多金属胶体图谱。图片来源：物理学家组织网 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。
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