鉑：探索工業“維生素”的無限可能
發布時間：
2025-11-05
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當人們提到“鉑金”，首先想到的往往是璀璨的珠寶與珍貴的投資品。然而，在工業界和科技前沿，鉑以其無與倫比的物理化學特性，扮演著更為關鍵的角色——它是催化反應的“魔術師”，是醫藥領域的“生命衛士”，也是高端合金的“力量之源”。我們希望通過這篇文章，帶您領略鉑在三大核心應用領域的卓越風采。
當人們提到“鉑金”，首先想到的往往是璀璨的珠寶與珍貴的投資品。然而，在工業界和科技前沿，鉑以其無與倫比的物理化學特性，扮演著更為關鍵的角色——它是催化反應的“魔術師”，是醫藥領域的“生命衛士”，也是高端合金的“力量之源”。我們希望通過這篇文章，帶您領略鉑在三大核心應用領域的卓越風采。
一、催化領域：高效與節能的推動者
貴金屬鉑憑借其高催化活性和熱穩定性，成為化學工業中不可或缺的催化劑。
在汽車尾氣凈化領域，鉑主要作為汽油車、柴油車、摩托車等內燃機的三元催化劑，它主要通過促進氧化還原反應，將尾氣中的有害氣體轉化為無害物質。
表1 鉑在汽車尾氣凈化中的主要應用場景和技術特點
在新能源領域，鉑是目前唯一能高效催化陰極氧還原反應(ORR)和陽極氫氧化反應(HOR)的實用化催化劑。陰極反應動力學緩慢，需要較高的鉑負載量，這使得鉑成為質子交換膜燃料電池（PEMFC）成本的主要部分之一。
盡管鉑的催化性能卓越，但其大規模應用面臨著兩個主要挑戰：高昂的成本和高溫下的不穩定性。傳統催化劑以鉑納米顆粒形式發揮作用，許多鉑原子被包裹在內部無法參與反應。或者利用金屬-載體強相互作用以實現金屬原子分散，然而金屬原子往往呈現（部分）氧化態；利用分子篩等多孔材料雖可穩定金屬態單原子，但其微孔結構阻礙分子擴散，不利于大分子反應。
因此，近年來單原子分散鉑催化劑成為研究熱點，通過最大化原子利用率，在降低貴金屬用量的同時保持高催化效率。天津大學鞏金龍團隊提出了創新的"原子抽提"策略，通過在含有Pt的Cu納米顆粒中引入原子半徑較大的Sn，使Sn傾向于分布在顆粒表面，同時，利用Sn與Pt之間能形成的強金屬鍵特性促進Pt向表面偏析，并大幅提升了Pt單原子在納米顆粒表面分散度。將PtSnCu三元合金催化劑用于丙烷脫氫制丙烯這一重要工業反應中，在Pt用量約為工業PtSnK/Al2O3催化劑十分之一的情況下，仍表現出相近的丙烷轉化率，并具備更優的催化穩定性和丙烯選擇性。該研究揭示了金屬間協同作用對提升貴金屬原子利用率的作用機制，所提出的“原子抽提”策略為稀缺貴金屬資源的高效利用和高性能催化劑設計提供了借鑒。
圖1 金屬間尺寸及成鍵強度差異協同驅動的“原子抽提”示意
目前，低鉑、超低鉑技術已成為絕對主流的研究和產業化方向。單原子催化劑雖然尚處實驗室向產業化的過渡階段，但鉑鈷合金等有序金屬間化合物催化劑已成功實現量產并應用于電堆。鉑源催化在龍蟠首屆全球新技術發布會上宣布二代鉑鈷合金催化劑量產上市，二代催化劑含有45%-46%的鉑，4-5%的鈷，通過超晶格技術使鉑載量下降33.3%，膜電極載量從一代的0.3mg/cm²降至0.2mg/cm²，成本大幅下降。在0.65V下的功率密度達到1.35W/cm²，比一代鉑碳催化劑活性提高20%。同時采用美國能源部DOE的30000圈測試，電壓衰減率僅3%，下降24mV，遠低于美國能源部5000小時車輛運行周期內目標衰減低于30mV的要求。
鉑憑借其無與倫比的催化特性，在過去半個多世紀里深刻地改變了我們的環境、工業和生活方式。從守護藍天的汽車尾氣凈化器，到連接世界的化纖衣物，再到驅動未來的氫能燃料電池，鉑的身影無處不在。展望未來，鉑基催化劑將趨向于構建多維度協同的復合結構，同時優化電子傳導、質量傳輸和結構穩定性。
二、醫藥領域：抗癌治療的重要武器
鉑具有穩定的化學性質和良好的生物相容性，關于鉑作為藥物用于治病的歷史可追溯到20世紀，當時癌癥成為人類死亡的第二大原因，為了克服癌癥對人類健康和生命的威脅，全世界進行了持久而深入的抗癌藥物研究。1965年，美國密執安州立大學教授盧森堡 (B.Rosenberg)在研究微電流對細菌的作用時，發現鉑配合物對大腸桿菌的分裂繁殖產生強烈的抑制作用，在此基礎上他繼續深人研究，于1969年首次報道了順鉑具有廣譜的抗癌活性，開拓了抗癌藥物研究的新領域。
鉑類抗癌藥物通過進入細胞內與DNA結合，阻礙其合成，從而抑制癌細胞的生長。主要作用機制是先通過跨膜運轉進入細胞內部，進入細胞后，這些藥物會發生離解反應，生成水合配離子，水合配離子會向靶DNA遷移，尋找結合位點。一旦找到合適的位點，鉑類抗癌藥物會與DNA配位，形成Pt-DNA加合物，從而阻礙DNA的合成，抑制腫瘤細胞增殖。
圖2 臨床中使用的鉑類抗癌藥物
近年來，Pt(IV)金屬配合物成為鉑類抗腫瘤藥物研發的新方向。與傳統Pt(II)藥物相比，Pt(IV)配合物具有更高的穩定性、更低的毒副作用、可口服、能夠克服鉑耐藥性等優點。河南大學的馬靜和謝松強教授團隊對過去五年內Pt(IV)金屬配合物的研究進展進行了全面梳理，該文章指出，隨著金屬藥物與抗癌免疫治療的融合發展，鉑類藥物的研究方向正從單一的鉑類藥物向多功能、多配體的鉑雜合體轉變。未來，Pt(IV)金屬雜合體鉑類藥物有望在光動力療法、納米給藥、靶向治療、診斷治療、免疫組合治療以及腫瘤干細胞治療等多個領域大放異彩。具有炎癥抑制能力的新型鉑(IV)藥物是當前研究熱點。腫瘤相關炎癥會促進腫瘤進展，通過在鉑(IV)配合物中引入抑炎功能，可以提高藥物療效并降低毒副作用。這些進展共同推動了鉑類藥物在抗腫瘤領域的持續發展。
圖3 Pt(IV)金屬雜合體鉑類藥物的抗腫瘤功能
此外，鉑憑借其卓越的物理化學性質，已將其應用擴展到心血管支架和高端醫療器械等領域，展現了“一材多用”的巨大潛力。未來，隨著納米技術、生物技術和藥物設計的融合，鉑在醫藥領域的應用必將更加精準、高效和安全，繼續為人類健康做出不可替代的貢獻。
三、合金添加：尖端材料的“力量增強劑”
鉑及其合金憑借優異的耐腐蝕性、高熔點和特殊物理化學性質，在高溫結構材料、醫療器械和工業傳感器等領域具有廣泛應用。
在高溫結構材料領域，高溫強化鉑合金通過固溶強化、彌散強化和沉淀強化等方法，顯著提高了鉑合金的力學性能和高溫穩定性。這些強化鉑合金在高溫環境下保持優異性能，被廣泛應用于玻璃工業、電子器件和航空航天等領域。
在醫療器械領域，鉑合金因其良好的生物相容性和耐腐蝕性成為重要的醫用材料。一項專利報道了一種含鉑75.2-96wt%、鎳0.5-20wt%、銅0.15-3.2wt%、鈦3.9-23.7wt%的貴金屬合金。該合金強度顯著提高，且具有固態相轉變滯后窄、相轉變溫度范圍窄的特點，使合金對溫度敏感，能快速實現溫度的精確控制，適用于醫療器械材料以及工業傳感器自動控制用感溫和控溫材料。
貴金屬鉑在催化劑、醫藥和合金添加三大領域都發揮著重要作用，其應用研究正朝著更高效、更經濟、更專業化的方向發展。
在催化劑領域，提高鉑原子利用率是核心研究方向，單原子催化劑和原子抽提等新策略正推動鉑催化劑走向近乎極致的原子經濟性。在醫藥領域，新型Pt(IV)配合物正朝著多功能、靶向性、組合治療方向發展，為解決腫瘤耐藥性和毒性問題提供新途徑。在合金添加領域，通過成分設計和強化機制的創新，滿足特定高溫、醫療環境的特殊需求。
隨著科技發展，鉑作為重要貴金屬材料，其應用領域還將不斷拓展和深化，為人類應對能源、健康和高端制造等領域的挑戰提供更多解決方案。
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