Ein Forschungsteam der Tulane University in den Vereinigten Staaten gab kürzlich die neuesten Ergebnisse bekannt und enthüllte zum ersten Mal auf atomarer Ebene die zugrunde liegenden Gründe, warum Gold extrem resistent gegen Oxidation ist und nicht so leicht seinen Glanz verliert. Untersuchungen zeigen, dass sich einige Atome auf der Goldoberfläche bei Kontakt mit Sauerstoff spontan neu anordnen und eine Struktur ähnlich einem „unsichtbaren Schild“ bilden, der die chemische Reaktion zwischen Sauerstoffmolekülen und Gold erheblich behindert.
Lange Zeit wurde allgemein angenommen, dass Gold seine Farbe nicht leicht ändern kann, hauptsächlich weil die Wechselwirkung zwischen Goldatomen und Sauerstoff schwach ist. Matthew Montemore, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Tulane University, weist darauf hin, dass diese traditionelle Erklärung unvollständig ist. Ihre Forschung ergab, dass auf den beiden häufigsten Goldoberflächenstrukturen Oberflächenatome umstrukturiert und in eine stabilere Anordnung gebracht werden, wodurch die Widerstandsfähigkeit von Gold gegenüber Oxidationsreaktionen erheblich erhöht wird.
Montemore und Co-Autor Santu Biswas, ein Postdoktorand in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, nutzten Computersimulationen, um den Prozess, durch den Sauerstoffmoleküle mit zwei gemeinsamen Goldoberflächen in Kontakt kommen, detailliert zu modellieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Sauerstoffmoleküle eher gespalten werden und mit dem Gold reagieren, wenn die Atome auf der Goldoberfläche nicht neu angeordnet bleiben. Sobald die Oberfläche neu strukturiert ist, verringert sich die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Gold und Sauerstoff um etwa das Milliarde bis Billionenfache, was der Bildung einer Barriere gleichkommt, die die Oxidation auf atomarer Ebene nahezu blockiert.
Diese Arbeit liefert eine neue physikalische und chemische Erklärung für das langfristige Anlaufen von Gold und erklärt weiter, warum Goldschmuck und andere Goldprodukte über lange Zeiträume, sogar Hunderte von Jahren, ein stabiles Aussehen behalten können. Gleichzeitig hat dieser Mechanismus auch wichtige Implikationen für die Katalysewissenschaft. Derzeit werden Katalysatoren auf Goldbasis in einigen industriellen Oxidationsreaktionen verwendet, aber die „angeborene Resistenz“ von Gold gegenüber der Spaltung von Sauerstoffmolekülen schränkt seine Reaktivität in der chemischen Produktion und bei Energieanwendungen in gewissem Maße ein.
Katalytische Systeme, die eine Kombination aus Gold und Palladium verwenden, wurden bei der Herstellung chemischer Produkte wie Vinylacetat eingesetzt. Goldkatalysatoren wurden auch für den Einsatz in Bereichen wie der Entfernung von Kohlenmonoxid aus Autoabgasen und der Herstellung von Propylenoxid untersucht. Montemore sagte, wenn Gold auf eine Weise „ausgetrickst“ werden könnte, die die Spaltung von Sauerstoffmolekülen erleichtert, könnte Gold zu einem effizienten katalytischen Material für eine Vielzahl wichtiger industrieller Reaktionen werden. Die in dieser Studie vorgeschlagene neue Idee besteht darin, die Oberflächengeometrie grundlegend zu ändern, um die Reaktivität zu verbessern, indem die atomare Rekonstruktion der Goldoberfläche verhindert oder umgekehrt wird.
In der Vergangenheit konzentrierten sich Bemühungen zur Verbesserung der katalytischen Leistung von Gold darauf, es mit anderen Metallen zu legieren oder nanoskalige Goldpartikel auf Oxidträgern zu tragen. Die neuesten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die direkte Gestaltung der geometrischen Struktur der Goldoberfläche und die Kontrolle ihres atomaren Anordnungsmusters ein weiterer effektiver Weg zur Verbesserung der Reaktivität von Gold sein könnte. Das entsprechende Papier trägt den Titel „Role of Reconstruction in the Inertness of Gold to Oxygen“ und wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.