超级催化剂——金十二面体

  A*STAR的研究人员想出了一个办法来破坏金纳米簇的稳定性,使它们形核长大成完美的十二面体晶体结构。这种特殊的多面体拥有高能晶面,因而能提高对化学反应的催化效率,且可以作为特异性传感器的活性吸附位。
      
  通常,金纳米簇是在有机稳定剂氛围中,通过化学还原金-硫前驱体得到的。这个过程中会产生高度对称的金晶核,其表面附有一层硫醇保护膜。对研究人员来说,虽然已经开发出了许多技术来改变纳米簇的尺寸以调整其物理和化学性质,但是通过破坏金—硫醇键的稳定性以便进一步转化成多面体晶体依旧具有相当大的挑战性。
  为了解决这个问题,由高性能计算研究所的张勇为和新加坡A*STAR材料研究与工程研究所的韩明勇率领的跨学科团队研究了通过氧化表面硫醇保护层来破坏金簇的稳定性。这个方法虽然理论上是可行的,但是存在一个问题:在之前使用臭氧氧化的尝试中,金原子发生了聚集而形成不可控的宏观沉淀。
  研究人员通过实验发现,如果使用氧化性稍弱的过氧化氢来代替臭氧,会产生更好的结果。他们先合成由牛血清白蛋白(BSA)包覆的稳定的25-原子金团簇溶液。质谱分析仪显示当过氧化氢加入到溶液中时,金硫共价键慢慢开始断裂。
  这种不稳定的过氧化物起初产生更小的11-原子金团簇,在室温下保持一个星期后,这些团簇就转变成了十二面体(见上图)。
  在高分辨率扫面电子显微镜观察发现,十二面体的每个面都有相同的晶体学取向 [110],这在金晶体中是很罕见。关贵建所做的密度泛函理论计算表明:氧化反应中从BSA脱离的氨基酸吸附于纳米颗粒上,促使金晶核沿着除 [110]以外的各晶向均匀生长,终导致了这种特殊结构的产生。
  关先生解释说,在金晶体的标准结构中,[110]取向的晶面具有高的表面能,对靶分子具有较强的吸引力,因而能大大提高催化能力。“例如,我们发现在4-硝基苯酚和4 - 氨基苯酚的还原过程中,十二面体纳米金簇相较金纳米颗粒的催化能力提高了足有四倍。”
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