米国チューレーン大学の研究チームはこのほど、金が酸化に非常に強く、輝きを失いにくい根本的な理由を原子スケールで初めて明らかにした最新の研究結果を発表した。研究によると、金の表面の一部の原子は酸素に遭遇すると自発的に再配列し、酸素分子と金の間の化学反応を大幅に妨げる「目に見えないシールド」に似た構造を形成します。
長い間、主に金原子と酸素との相互作用が弱いため、金は変色しにくいと一般的に考えられてきました。チューレーン大学の化学工学准教授マシュー・モンテモアは、この従来の説明は不完全だと指摘する。彼らの研究では、最も一般的な 2 つの金の表面構造では、表面原子が再構築され、より安定した配置に再配置され、それによって酸化反応に対する金の耐性が大幅に向上することがわかりました。
モンテモア氏と共著者で化学生体分子工学科の博士研究員であるサントゥ・ビスワス氏は、コンピューターシミュレーションを使用して、酸素分子が2つの共通の金表面と接触するプロセスを詳細にモデル化した。この結果は、金表面の原子が再配列されないままであれば、酸素分子が分裂して金と反応する可能性がより高いことを示しています。表面が再構築されると、金と酸素の反応速度は約10億倍から1兆分の1に減少します。これは、原子レベルで酸化をほぼ阻止する障壁を形成することに相当します。
この研究は、金の長期的な変色について新たな物理的および化学的説明を提供し、さらに、金の宝飾品やその他の金製品が長期間、場合によっては数百年にわたって安定した外観を維持できる理由を説明します。同時に、このメカニズムは触媒科学にも重要な意味を持ちます。現在、金ベースの触媒は一部の工業的な酸化反応に使用されているが、酸素分子の切断に対する金の「生来の耐性」により、化学生産やエネルギー用途における反応性はある程度制限される。
金とパラジウムを組み合わせた触媒システムは、酢酸ビニルなどの化学製品の製造に使用されています。金触媒は、自動車排気ガスの一酸化炭素除去やプロピレンオキシドの製造などの分野での使用も研究されています。モンテモア氏は、酸素分子を分解しやすくする方法で金を「だます」ことができれば、金はさまざまな重要な工業反応にとって効率的な触媒材料となる可能性があると述べた。この研究で提案された新しいアイデアは、金表面の原子再構成を防止または逆転させて反応性を向上させるために、表面形状を根本的に変更することです。
これまで、金の触媒性能を向上させる取り組みは、金を他の金属と合金化するか、酸化物担体上にナノスケールの金粒子を担持することに焦点が当てられてきました。最新の結果は、金表面の幾何学的構造を直接設計し、その原子配列パターンを制御することが、金の反応性を改善する別の効果的な方法となる可能性があることを示唆しています。関連する論文は「酸素に対する金の不活性性における再構築の役割」と題され、Physical Review Letters に掲載されました。