Trước đây, kim loại vàng thường sử dụng trong các kỹ thuật điện, điện tử bởi tính trơ, khó bị oxi hoá của kim loại này. Trong suốt một thời gian dài, vàng được cho là không có hoạt tính xúc tác. Nguyên nhân có thể là do các nguyên tử trên bề mặt hạt Au có độ linh động chưa cao và đặc tính về độ âm điện của nó còn chưa được chú ý nhiều. Cả hai điều đó xuất phát tử cấu trúc obitan điện tử phân lớp d đã lấp đầy electron của nguyên tử Au. Những nghiên cứu về bề mặt và các tính toán về lý thuyết của Haruta đã cho thấy rằng không có sự hấp phụ và phân
26
ly của H2 và 2 trên bề mặt hạt Au nhẵn ở nhiệt độ dưới 473 K. Điều đó cho thấy Au không có hoạt tính đối với quá trình oxy hóa và hydro hóa. Trên thực tế các xúc tác vàng mang trên chất mang thông thường như các oxit kim loại có hoạt tính rất kém so với các xúc tác kim loại nhóm t. Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng hầu hết các xúc tác của Au đã biết đều không có sự phân tách cao trên chất mang so với các kim loại khác. Khi điều chế bằng phương pháp tẩm, các hạt Au thường có kích thước lớn hơn 30 nm, trong khi đó t thường chỉ có kích thước khoảng 5nm. Nguyên nhân của sự khác nhau này là do nhiệt độ nóng chảy của Au thấp hơn nhiều so với t và d (Au: 1336K, Pt: 2042K, Pd:1823K) [87, 96, 100]. Do ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước hạt, nhiệt độ nóng chảy của Au có đường kính dưới 2nm thấp hơn 573 K. Và những hạt vàng kích thước nhỏ này có khuynh hướng co cụm lại thành tập hợp đám (cluster) dễ dàng hơn nhiều so với các hạt d và t trong quá trình làm việc ở nhiệt độ trên 573K. Theo Schwank, hầu hết các xúc tác Au trên chất mang trước đây đều có chứa các ion Cl- hoặc Na, lượng các ion này phụ thuộc vào hàm lượng Au. Sự có mặt các ion này làm giảm rất nhiều tác dụng xúc tác của Au [ 6].
Từ những nghiên cứu của Haruta và các cộng sự đã phát hiện ra rằng trái ngược với tính trơ của kim loại vàng dạng khối, kích thước lớn, khi Au được tạo thành dưới dạng các hạt hình cầu kích thước nano trên các chất mang có hoạt tính xúc tác đặc biệt cao đối với phản ứng oxi hóa C , ngay cả ở nhiệt độ thấp dưới 300K. Sự phát hiện này đã dần dần thu hút được sự chú ý, quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực xúc tác trên thế giới trong những năm gần đây. Sự góp mặt của Au kim loại nano trong lĩnh vực xúc tác trong các nghiên cứu mới nhất đã mở ra hướng đi mới cho khoa học vật liệu xúc tác. Hệ xúc tác mới này mang lại cho ngành công nghiệp sản xuất xúc tác một diện mạo mới và hết sức quan trọng như đạt độ chọn lọc rất cao, không độc hại đối với sản phẩm phản ứng cũng như độ bền của xúc tác. Vì thế, các hệ xúc tác dị thể trên cơ
27
sở Au đang là những xúc tác thích hợp và có hiệu quả cao cho các quá trình chuyển hoá chọn lọc các hợp chất hữu cơ nói chung và glucozơ nói riêng.
Tinh thể Au ở dạng khối có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc), hằng số tế bào mạng nhỏ hơn so với Ag cùng nhóm. Kim loại Au có khả năng dát mỏng tuyệt vời, 1g vàng có thể dát mỏng thành tấm có diện tích bề mặt 1 m2 với bề dày nhỏ hơn đường kính của 250 nguyên tử, hay kéo thành sợi dài 165 m với đường kính nhỏ hơn 20 m. Ở trạng thái cấu trúc tinh thể khối, Au thể hiện tính chất đặc trưng của kim loại do cấu hình electron 4f145d106s1.
Tuy nhiên, khi tồn tại ở kích thước hạt rất nhỏ- kích thước nano, tính chất của các phần tử vàng kim loại có sự thay đổi mạnh mẽ. Kích thước hạt vàng càng nhỏ thì bản chất kim loại của nó càng biến đổi mạnh. Các hạt vàng có kích thước trong khoảng 1 nm tương ứng với sự gói ghém của 30 nguyên tử, kích thước ~2 nm tương ứng với khoảng 250 nguyên tử, 3 nm tương ứng với khoảng 800 nguyên tử vàng [42]. Kích thước hạt vàng càng nhỏ, số tâm xúc tác sẽ càng lớn, do đó, hoạt tính xúc tác trở nên mạnh hơn rất nhiều so với các hạt có kích thước lớn. Trong phản ứng oxi hoá C ở nhiệt độ thấp, cấu trúc icosahedron tương ứng với cụm cluster Au13 sẽ có hoạt tính mạnh hơn so với cấu trúc cubo-octohedron tương ứng với cụm Aun với n = 140 – 310 [42].
Hoạt tính xúc tác cực kỳ mạnh của các hạt Au ở kích thước nano được minh chứng bằng quá trình chuyển hoá cacbon monoxit thành cacbondioxit ở nhiệt độ thấp 1 7K, tính chất này không thể tìm thấy ở bất kỳ kim loại xúc tác nào khác.
28
Nhiều công trình nghiên cứu về hoạt tính xúc tác của kim loại nano Au phân tán trên chất nền C hoạt tính, áp dụng cho các quá trình khác nhau như: oxi hoá ankan, anken, rượu.. đều cho thấy phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh, độ chọn lọc cao [50,61].