美国斯坦福大学与韩国科学技术院的研究团队成功合成了一种含有五种不同金属的纳米晶体。他们惊讶地发现，金属种类越多，颗粒的均匀性反而越高。这一突破性成果为纳米材料的制备开辟了全新路径，并可能对氢能产业的未来产生深远影响。该研究成果已发表于最新一期《科学》杂志。
纳米晶体是由数个至数千个原子按精确顺序排列而成的超微结构，广泛应用于计算机和智能手机的晶体管、显示屏等电子元件中。由于其极小的尺寸带来了巨大的比表面积，纳米晶体也表现出优异的催化性能。
此次研究团队试图突破单金属纳米晶体的局限，挑战由五种金属共同构建的纳米晶体。然而，这项任务极具难度，因为不同金属的化学行为各异，其还原为纯金属所需的速度与温度也不尽相同。
团队以稀有且高活性的金属钌为基础，加入了四种更经济、储量更丰富的金属：铁、钴、镍和铜。通常认为，金属种类越多，结构越容易混乱。实验初期也印证了这一点：当两种金属与钌结合时，结构十分杂乱；加入第三种金属后仍无改善。然而，当金属种类增加至五种时，混乱竟然消失了。在全部31种可能的组合中，最终只生成了一种结构均匀的五金属纳米晶体，各元素的比例始终保持稳定。
铜是实现这一“由乱转序”过程的关键。在四种廉价金属中，铜的还原难度最大，也最容易被还原为金属态。它首先沉积在钌的种子颗粒上，但不与钌混合，而是并排形成异二聚体，充当稳定的结构支架。随后，这一铜钌结构发出化学“信号”：钴倾向于靠近钌，镍则倾向于靠近铜。最难还原的铁最后沉积在最外层，最终形成类似洋葱的多层结构——核心为钌，旁边附着铜，中间层由钴和镍组成，最外层富含铁。整个过程完全自发进行。
除了在合成方面的突破外，团队还证实，在氨分解这一日益重要的反应中，该五金属纳米晶体的催化性能远优于单一金属催化剂。
氢气的储存和运输难度较大，但可与氮气合成氨，便于液化运输；到达目的地后，再将氨分解为氢气和氮气。然而，氨分解通常需要超过600℃的高温，对催化剂的稳定性提出了极高要求。测试结果表明，该五金属纳米晶体催化剂的反应速率是标准钌催化剂的4倍。此外，即使在900℃下连续运行12小时，该催化剂仍保持优异性能，而单一金属钌催化剂在相同条件下已明显老化失效。