五种金属结合，构建出更好的纳米晶体

纳米晶体是一种极其微小的材料，由几个到几千个原子组成，其中原子以精确、有序的结构排列。纳米晶体存在于电脑和智能手机中的晶体管、智能手机显示屏和电视屏幕，以及汽车排气系统的管道中等等。

美国斯坦福大学化学工程副教授Matteo Cargnello及其实验室长期致力于开发纳米晶体，以更高效地驱动催化反应。他们与韩国科学技术研究院的研究人员合作，旨在超越简单的单金属纳米晶体，构建更复杂且更具挑战性的结构：一种包含五种不同金属协同工作的颗粒。

“我们主要研究用于催化的金属纳米晶体，并对将多种金属混合到一种特定的纳米晶体中感兴趣。”Cargnello说。“当你开始混合两种、三种、四种不同的金属时，最终材料的性质可能与单个单金属纳米晶体的性质非常不同。”

研究团队发现了一个令人惊讶的现象：当五种不同的金属被组合合成一个纳米晶体时，所得颗粒实际上更均匀，而非更不均匀。这一发现开启了纳米材料制备的新篇章，并可能对氢燃料的未来产生直接影响。近日，这项研究发表于《科学》。

论文配图 图源：斯坦福大学

在这项研究中，团队选择以钌（一种珍贵但活性高的金属）为起点，然后尝试添加四种更便宜、更丰富的材料：铁、钴、镍和铜。其动机既有科学层面也有经济层面。钌价格昂贵，如果添加贱金属能够增强或保持其性能，制造商就可以减少钌的用量。

但制造一种五种金属以可控、均匀比例存在的纳米晶体绝非易事。每种金属在溶液中的行为不同。每种金属转化为纯金属形式的速度和温度也不同。

该领域的普遍预期是，组合更多的金属会产生更多的混乱：一堆不同类型、成分差异巨大的颗粒。

然而，团队发现了相反的结果。当两种金属与钌结合时，结果是混乱的：不同颗粒类型的混合物，尺寸和成分不一致。添加第三种金属也没有太大帮助。但当他们增加到四种金属，然后是五种时，奇迹发生了。混乱被化解了。

“令人惊讶的发现是，当你开始添加更多元素，一直到五种时，结果与我们预期的相反。所有五种元素共同存在于一个纳米晶体中，最终看起来像一个单一的产物。”Cargnello说。

通过仔细的延时实验，即在不同温度下收集样品并逐步分析，团队拼凑出了确切的过程。事实证明，铜是整个过程中的关键。

除了合成上的突破，该团队还证明，在氨分解反应中，这些五金属纳米晶体的性能显著优于单金属同类产品，而氨分解在工业上越来越重要。

氨被分解回氢和氮，氢气用作清洁燃料。问题在于，这种分解需要高温，通常在600°C以上，这对驱动反应的任何催化剂都提出了巨大要求。

在此应用中测试时，五金属纳米晶体催化剂的反应速率比标准钌催化剂高出四倍。更令人瞩目的是，即使经过900°C高温处理12小时（这种条件会导致单金属钌催化剂显著降解），它仍保持了这一性能。