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在科学家的眼里,黄金放在地下金库里那绝对是浪费

图片:《黄金大劫案》

贵金属除作货币外还有何种用途?

Luyao Zou,光谱学|实验天体化学|超爱老婆

环亚ag集团app www.mcbpud.cn 在我们日常生活中,黄金是财富的代名词?;平鸩唤鱿∮?,而且化学性质十分稳定,所以才成为贵金属,被打造成昂贵的首饰,或者干脆变成金条金块,象征着永恒的财富。

不过,科学家在研究科学问题时,才不会在意黄金的世俗价值。在科学家眼里,黄金有许多用途广大的性质,把它放在地下金库里可是屈才了。

金的导电性在所有金属中排第三,第两名分别是银和铜。不过银和铜都还是容易被腐蚀,但金却不怕腐蚀。虽然王水可以溶解金,但日常条件下的空气、水汽等等都奈何不了金。所以,金非常适合用来制作电子电路中的关键触点。在电子电路中,良好的接触可以避免产生额外的噪声。我们使用的每一部手机、每一台电脑,里面的主控电路板上,都含有微量的金。包括那些比较高级的线材,例如 Hi-Fi 发烧友们使用的音频接口,表面都会使用镀金处理,以保证更持久的良好接触。

金的导电性还使得它可以用来制作性能很高的镜子。这是为什么呢?

经典电磁学可以提供一个定性解释。(理想)金属作为良导体,表面始终是等势面,内部不会积累电荷。电磁波照射到金属表面时,金属表面会激起相位相反的电磁场,以维持自身内部没有电场。这样产生的效果就是会把所有入射的电磁波反射回去。因此,实际金属的导电率越高,电阻越小,就越接近理想金属,反射率也就越高?!腹潮舅构叵怠垢隽苏飧龆抗叵担?/p>

其中,

是真空介电常数,

是电磁波的频率,

就是金属的电导率。电导率越高,分母就越小,反射率就越接近于 1。

金对于波长大于 600 nm 的光的反射率,在所有金属中数一数二。这个领先地位可以一直延申到红外波和毫米波。在精密的光学和光谱学实验中,镀金的镜子非常常见。下图就是我实验室中使用的镀金聚焦镜,工作在毫米波波段。

大家知道,量子世界非常奇特,往往表现出和宏观世界截然不同的景象。量子世界里的金也一改宏观时的高冷(化学性质稳定),变得多彩又活泼。

直径几十到几百纳米的金颗??梢孕纬山鹑芙?,它们的色彩随着颗粒直径的增加而从红色变为蓝紫色,绚烂的色彩可以用做家居装饰【大误】。这是量子效应产生的现象,我在之前的回答 有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信? 中具体解释过。

当然,贵金属最有用的地方还是在催化。做有机反应的同学肯定清楚催化加氢和碳氢键活化中用到的各种钯(Pd)催化剂。钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)等贵金属在催化工业上具有无可取代的地位。

其中普通人最为熟悉的,莫过于汽车尾气处理。我们现在开在路上的每一辆汽车里面,就搭载了含有铂、钯等贵金属的「三元催化器」,它可以把汽车尾气中不完全燃烧产生的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)等有害气体催化成不那么有害的二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水(H2O)这也是为什么三元催化器很贵的原因。

那么纳米金呢?一旦纳米金颗粒的直径小于 10 纳米(Hutchings 2008),分散在载体上的金就会对吸附一氧化碳(CO)有奇效;而且它在常温下就可以有效地把一氧化碳(CO)氧化成二氧化碳(CO2),远比三元催化器中的钯、铂来得有效。这个效应最早是 20 世纪 80 年代由日本科学家春田正毅(Masatake Haruta)发现的(Haruta et al., 1987),春田也因此成为「金催化」的鼻祖。据说,当时春田一开始把论文投给 JACS,直接被编辑拒了,因为编辑认定了金性质稳定,肯定不能做催化剂 。

但是,使用金来催化氧化 CO 并没有在汽车尾气催化剂上得到广泛的工业应用。这主要是因为汽车尾气的温度太高了,而纳米金在高温下不稳定,很容易聚集成团(团聚),就失去催化能力。但是,在常温甚至低至 -70°C 的低温下,金比 Pt、Pd 等催化 CO 氧化的效率高出不少。所以,这成为一个非常有用的「模型」反应,是研究催化机理的理想对象。究竟是什么使得同为贵金属的金有如此奇特的催化特性呢?

后续研究发现这事情特别复杂。不同温度、不同载体都会对催化反应的过程产生影响??蒲Ъ页⑹蕴岢隽撕芏嘀只?,但直到现在也还在争论不休,没有哪一种机理能够解释所有的现象。不过,其中一个比较普遍的情况是,水汽的存在有助于 CO 的氧化。例如,根据 2018 年的一项比较新的研究,水的质子转移过程应当有助于活化氧分子,并完成氧化 CO 的过程。氧分子和一氧化碳分子均可以在吸附在金表面,形成 Au-CO 和 Au-OO;随后水分子吸附到载体表面,并把一个质子转移到 Au-OO 上,变成 Au-OOH,这就活化了氧分子。之后,Au-CO + Au-OOH -> Au-COOH + Au-O; Au-COOH 就能丢下质子,变成二氧化碳跑出去。(Saavedra et al., 2018)

当然,我不是这方面的专家,更多细节也不甚了解了。总之,在春田正毅发现纳米金的低温催化性能之后,把金纳米颗粒搭载在各种不同金属、金属氧化物和其他类型的载体上,并且探索它们的催化性能和催化机理的研究就如雨后春笋般涌现出来了。很多这样的研究就是在知乎上常被黑的那种「排列组合」式的苦力研究,换个载体、换个反应、换个温度,就能灌一篇水论文。

可以说,金纳米颗粒养活了一大帮课题组。


最后,对于有钱人,金还有个很拉风的应用,就是吃。作为食物,金没有任何养生保健功能,唯一功能就是——烧钱!

参考文献:

  • Haruta, M. et al., Chem. Lett. (1987), 16, 405–408.
  • Hutchings, G. J. Dalton Trans. (2008), 41, 5523–5536.
  • Saavedra, J. et al., J. Am. Soc. Chem. (2018), 140, 3712–3723.

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