五金属组分打造高性能纳米晶体结构

科技日报报道，斯坦福大学与韩国科学技术院的科研团队成功创造了一种含有五种不同金属的纳米晶体，并观察到金属种类增多反而让颗粒变得更加均匀。这一成果为纳米材料的生产带来了新思路，有望深远影响氢能领域。相关论文已刊登在最新一期《科学》杂志。

纳米晶体是由几到几千个原子高精度、有序堆叠形成的结构，广泛应用于电脑、智能手机的晶体管与显示屏等电子器件。因体积微小，它们拥有极高的表面积与体积比，是性能突出的催化剂。

研究团队此次不满足于单金属纳米晶体，开启了五种金属混合的探索之路。然而，混合多金属面临诸多困难，因每种金属的还原条件和反应特性都不一样，导致协同合成极具挑战。

科学家以稀有且高反应活性的钌为首要材料，随后引入铁、钴、镍和铜这四种更为常见的金属。大家的普遍看法是，混合越多金属反而越难控制。实验起初确实如此：只加两种金属时，合成过程较为混乱，提高到三种也难以改善。但当成分提升到五种后，状况却意外平稳。在31种不同配比的实验中，研究人员得到了唯一均匀的五金属纳米晶体，每种金属比例都极为稳定。

铜在这个过程中发挥了关键作用。它在四种普遍金属中不仅价格相对较高，还最容易被还原，首先沉积在钌颗粒上。铜不会和钌混合，而是并排排列，形成特殊结构，为整个晶体搭建了稳定基础。随后，钴聚集在钌附近，镍则靠近铜，而最难还原的铁最终包裹在最外层。整个粒子就像洋葱结构，中央是钌，旁边有铜，中层是钴和镍，外面包着铁。这个过程完全是自然自发完成的。

除了在合成技术上的突破，该五金属纳米晶体在氨分解反应中也显示出超强表现，远超单金属催化剂。

氢气储存和运输困难，通常将氢气与氮气化合成氨便于运输，目的地再将氨分解为氢气和氮气。但氨分解需要超过600℃高温，对催化剂要求极高。实验显示，这种五金属纳米催化剂的反应速率是传统钌催化剂的4倍。即使在900℃高温下工作12小时，依然性能稳定，而传统钌催化剂则已出现明显老化。