Een onderzoeksteam van de Tulane Universiteit in de Verenigde Staten maakte onlangs de nieuwste resultaten bekend, waarmee voor het eerst op atomaire schaal de onderliggende redenen werden onthuld waarom goud extreem resistent is tegen oxidatie en niet gemakkelijk zijn glans verliest. Onderzoek toont aan dat sommige atomen op het oppervlak van goud zich spontaan zullen herschikken wanneer ze in aanraking komen met zuurstof, waardoor een structuur ontstaat die lijkt op een "onzichtbaar schild", dat de chemische reactie tussen zuurstofmoleculen en goud aanzienlijk belemmert.
Lange tijd werd algemeen aangenomen dat goud niet gemakkelijk van kleur verandert, vooral omdat de interactie tussen goudatomen en zuurstof zwak is. Matthew Montemore, universitair hoofddocent chemische technologie aan de Universiteit van Tulane, wijst erop dat deze traditionele verklaring onvolledig is. Uit hun onderzoek bleek dat op de twee meest voorkomende goudoppervlakstructuren de oppervlakteatomen worden geherstructureerd en herschikt in een stabielere opstelling, waardoor de weerstand van goud tegen oxidatiereacties aanzienlijk wordt vergroot.
Montemore en co-auteur Santu Biswas, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie, gebruikten computersimulaties om in detail het proces te modelleren waarmee zuurstofmoleculen in contact komen met twee gemeenschappelijke goudoppervlakken. De resultaten laten zien dat als de atomen op het goudoppervlak niet opnieuw worden gerangschikt, de kans groter is dat zuurstofmoleculen worden gesplitst en reageren met het goud. Zodra het oppervlak geherstructureerd is, zal de reactiesnelheid tussen goud en zuurstof met ongeveer een miljard tot een biljoen keer worden verminderd, wat overeenkomt met het vormen van een barrière die oxidatie op atomair niveau bijna blokkeert.
Dit werk biedt een nieuwe fysische en chemische verklaring voor de langdurige aantasting van goud, en legt verder uit waarom gouden sieraden en andere gouden producten gedurende langere tijd, zelfs honderden jaren, een stabiel uiterlijk kunnen behouden. Tegelijkertijd heeft dit mechanisme ook belangrijke implicaties voor de katalysewetenschap. Momenteel worden op goud gebaseerde katalysatoren gebruikt in sommige industriële oxidatiereacties, maar de ‘aangeboren weerstand’ van goud tegen de splitsing van zuurstofmoleculen beperkt de reactiviteit ervan in chemische productie en energietoepassingen tot op zekere hoogte.
Katalytische systemen die een combinatie van goud en palladium gebruiken, zijn gebruikt bij de productie van chemische producten zoals vinylacetaat. Er is ook onderzoek gedaan naar goudkatalysatoren voor gebruik op gebieden zoals de verwijdering van koolmonoxide uit auto-uitlaatgassen en de bereiding van propyleenoxide. Montemore zei dat als goud zo kon worden ‘bedrogen’ dat het gemakkelijker wordt om zuurstofmoleculen te splitsen, goud een efficiënt katalytisch materiaal zou kunnen worden voor een verscheidenheid aan belangrijke industriële reacties. Het nieuwe idee dat in deze studie wordt voorgesteld, is om de oppervlaktegeometrie fundamenteel te veranderen om de reactiviteit te verbeteren door de atomaire reconstructie van het goudoppervlak te voorkomen of om te keren.
In het verleden hebben inspanningen om de katalytische prestaties van goud te verbeteren zich geconcentreerd op het legeren ervan met andere metalen of het ondersteunen van gouddeeltjes op nanoschaal op oxidedragers. De nieuwste resultaten suggereren dat het direct ontwerpen van de geometrische structuur van het goudoppervlak en het beheersen van het atomaire rangschikkingspatroon een andere effectieve manier kan worden om de reactiviteit van goud te verbeteren. Het gerelateerde artikel is getiteld "De rol van wederopbouw in de inertheid van goud ten opzichte van zuurstof" en is gepubliceerd in Physical Review Letters.