Stanford 團隊研製五金屬奈米晶體 提升氫氣生產效率

斯坦福大學研究人員發現，在納米科技的複雜世界中，五種金屬比一種更優越。與韓國高等科學技術院（KAIST）合作，團隊合成了由五種不同金屬組成的均勻納米晶體：釕、鐵、鈷、鎳和銅。這項納米材料工程的突破可用於可持續能源，因為這些多金屬催化劑可提升氫氣生產和使用的效率。 納米晶體擁有高表面積與體積比，是加速化學反應的高效催化劑，應用範圍從車輛排氣系統到醫療診斷測試。

此外，這些粒子是現代電子產品的關鍵組件，為智能手機和電腦中的電晶體及高解析度顯示器提供動力。在這項新研究中，Matteo Cargnello 教授的團隊與 KAIST 和 BASF 合作，挑戰傳統化學，合成了由五種不同金屬組成的極度均勻納米晶體。研究揭示「自組裝」現象：增加金屬混合物的複雜度，反而產生更一致、穩定的粒子，而非混亂狀態。

銅的作用

研究從高活性貴金屬釕開始作為基礎，嘗試與四種更廉價、豐富的金屬混合：鐵、鈷、鎳和銅。最初預期這種複雜混合會產生不一致的混亂「雜亂」粒子，因為每種金屬的反應速度不同。出乎意料，這種複雜度反而帶來一致性。兩種或三種金屬的混合物混亂不穩，但五金屬組合卻自發組織成單一均勻產物，將 31 種可能的化學結果簡化為一個精確納米晶體。「令人驚訝的發現是，當你開始添加更多元素，直至五種時，結果與預期相反，」Cargnello 表示。

「五種元素共同形成單一納米晶體，看起來就像單一產品。」 這種有序的秘密出人意料地來自「拒絕合作」。透過時間延遲分析，研究人員發現銅是自組裝過程的關鍵架構師。混合中最急切的銅拒絕與釕融合，如油與水般分離卻相連。這形成物理支架——化學邀請——引導其他金屬依特定順序到達。鈷和鎳隨後進入，最後鐵包裹整個結構，形成洋蔥狀排列。「結果是洋蔥狀結構，釕位於核心，銅緊鄰其旁，鈷和鎳形成中間層，外層富含鐵，」新聞稿指出。

這些五金屬納米晶體在加速氨分解方面表現出色，此過程對氫能經濟至關重要。氫氣難以氣態運輸，常轉化為液氨運送，到達目的地後「裂解」回燃料。此化學逆轉通常需極端溫度，但這些多金屬催化劑在嚴苛工業條件下提供可行方案。在性能測試中，五金屬納米晶體催化劑的反應速率是標準釕的 4 倍，並展現優異熱穩定性。相較標準催化劑在高溫下因燒結而劣化或團聚，這些多金屬粒子在 900°C 下持續 12 小時仍保持效能。

BASF 目前正於工業環境中嚴格測試這些晶體。若結果持久，五金屬混合的「混亂」科學或許就是全球能源網絡期盼的清潔解決方案。研究於 5 月 7 日發表於《Science》期刊。