金属中的贵族——铂

铂金属是大家比较熟悉的一类贵金属，在珠宝首饰中常见的“铂金”就是铂与金的合金。在很多新兴战略性产业中也有广泛的应用，如氢燃料电池汽车、传感器、电子元器件、抗癌药物、化工催化剂等。由于铂金属在这些产业中的重要作用，已被很多国家列为一类战略性矿产。我国的铂金属消费量居世界之首，但资源量和产量都很低，对外依存度高。尤其是近年来氢燃料电池汽车快速发展，我国对铂金属的需求量还在逐年增大，未来对外依存度预计还将进一步加大。因此加强对铂金属的研究，对我国资源安全有重要意义。

1铂的发现

16世纪初，西班牙殖民帝国逐渐形成，大批的西班牙冒险家蜂拥到非洲和美洲去探金寻宝。在厄瓜多尔的河流中淘金时，人们发现有一种白色的金属混杂在黄金中间。他们认为这是银的廉价“亲戚”或者是“未成熟”的黄金，费了好大的劲儿才把这种白色金属分离出来，轻蔑地称之为“platina del Pinto”，意思是“力拓河中的碎银”。铂的英文名platinum，正是来自西班牙语中“白银”一词（plata）（Challoner, 2014）。

当时的人们还“不识货”，不仅关闭了部分被铂“污染”的金矿，而且当西班牙政府看见商人在银元中混用掺有铂的伪币时，还愤怒地下令把开采到的铂统统扔进大海。此后，铂被冷落了许久，直到科学家们发现铂独特的性质后，人们才对它刮目相看。

图1 安东尼奥·德·乌略亚肖像

18世纪40年代西班牙数学家、探险家安东尼奥·德·乌略亚（Antonio de Ulloa，图1）带领科学考察团赴秘鲁考察，他们在金矿中发现了一块难以加工的铂金属，并记录下有关它的详细资料。1748年，英国化学家沃森（Watson）确认这是一种新元素，并称其为“platinum”。1752年，瑞典人亨利克·特奥菲卢斯·谢佛尔（Henrik Teofilus Scheffer）仔细研究了铂，并确认它是一种贵金属元素。在随后的半个世纪里科学家对铂的兴趣大增，并对其进行了各种各样的物理、化学分析。然而，铂在所有金属中的反应活性是最低的，这使得科学家很难勘破它的秘密（Challoner, 2014）。

2铂的性质

经过长期的研究，现在人们对铂已经较为了解了。铂，元素符号Pt，原子序数78，位于元素周期表第六周期，Ⅷ族，是一种化学性质极其稳定的贵金属（图2）。原子量195.084，略小于金的原子量。铂金属的密度大（21.45 g/cm3 ，20 ℃），熔点高（1772 ℃），沸点高（3827 ± 100 ℃），化学性质不活泼，有良好的延展性、导热性和导电性。与铂性质相近的同一组的元素还有锇（Os）、铱（Ir）、钌（Ru）、铑（Rh）和钯（Pd），它们被人们统称为铂族元素（PGE）。

图2 铂元素的化学性质图解

铂的抗腐蚀性极强，而且耐高温，同时又具有漂亮的光泽感，在地球的含量极其稀少，一些含铂金属的材料被制作成了首饰，被称为“铂金”或“白金”。

纯的铂为有金属光泽、具可延展性的银白色金属（图3）。它的可延展性是所有纯金属中最高的，胜过金、银和铜。铂金属的抗腐蚀性极强，在高温下非常稳定，电性能亦很稳定。铂可与金、银、铜、铅、锡、锑、铋、锌或砷等形成合金，而钌、铑和铱是其常用的硬化剂。含铱量为10 %的铂合金和含钌量为5 %的铂合金是上等的铂首饰材料，商业上称为“硬铂”。铂铑合金的抗氧化性能相当好，即使在高温下也很稳定,因此铂铑合金常用于制造热电偶、熔化玻璃的坩埚材料等。

图3 铂金属单质

粉状铂对气体特别是氢气有很好的吸附性能，因而成为一种非常重要的催化剂。常温常压下，将氢气和氧气混合放置生成水至少需要几千年，但如果加入一点铂粉作为催化剂，该反应在瞬间就能以爆炸的形式发生，而铂粉却依然如故。高温时，碳能溶于铂，降温后有部分析出，残留的碳会使铂变脆，即所谓的碳中毒。所以熔融铂时，不能与碳接触，通常选用刚玉或氧化锆作为熔融铂的坩埚材料。

铂的化学性质非常不活泼，在空气和潮湿环境中相当稳定。铂不可溶于盐酸和硝酸，但会溶于热王水，形成氯铂酸（H2PtCl6）。铂的电价为+2、+3、+4、+5、+6。可以形成配位化合物，如[Pt(NH3)2]Cl2、K[Pt(NH3)。高温下能与硫、磷、卤素发生反应，可用于制钡盐、合金、焰火、核反应堆等。这些性质都使铂成为了工业上应用广泛的金属。

由于铂的强惰性让它有了非常合适的用途，法国科学院制造了一根铂棒作为“米”的标准（图4a），同时还制造了一根铂圆柱体（含90 %的铂和10 %的铱）作为“千克”的标准（图4b）。

图4 国际米原器（a）和国际千克原器（b）

3铂的自然分布及资源现状

铂族元素主要集中在2900千米之下的地核中，少数在数十千米之下的地幔中，而在触手可及的地壳岩石中却极其稀少，含量仅为5×10-9。相较于金、银矿产资源，铂族元素的资源储备更低，通常是作为提炼镍与铜的副产物而获得。铂族元素是高度惰性的一类元素，它们的活动性一般与大规模的幔源岩浆作用相关。铂族元素也具有一定的热液活动性，可在不同构造环境下由热液活动形成的卤水、矿石矿物或地质体中富集；富含挥发分的流体也可使铂族金属重新活化迁移，并在有利部位富集（严海波等，2020）。例如，美国Stillwater岩体和南非Bushveld杂岩体中，富含铂族元素岩层的岩石学和地球化学特征清楚反映了原岩在流体或富含挥发分的熔融体作用下发生的改变（苏尚国等，2007）。目前已知的铂族元素矿床类型有岩浆型、热液型、火山岩块状硫化物型和外生型四大类（唐冬梅等，2008；马腾等，2019），其中岩浆型矿床又分为铜镍硫化物型、铬铁矿型和磁铁矿型，尤其是与镁铁-超镁铁质岩密切相关的是全球铂族元素的主要来源，几乎提供了全部的铂族元素储量（图5）。

图5 全球主要含铂族元素矿床类型及分布（修改自Juris et al., 2020）

截至2021年，世界已探明铂族元素资源总储量约为7万吨（Bolen, 2022）。全球铂金储量最多的五个国家依次为南非、俄罗斯、津巴布韦、加拿大、美国。全球已探明的铂族金属资源总量超过10万吨，其中岩浆型铜镍硫化物矿床在全球范围内无论在储量、产量上都占据最重要的地位。例如，南非Bushveld杂岩体，铂族金属储量，约为62816吨，平均品位为5.4×10-6；俄罗斯Noril’sk岩体，铂族金属储量约为20255.2吨；津巴布韦Great Dyke岩体，铂资源量有3000多吨，铂平均品位为2.8×10-6；美国Stillwater岩体，J-M矿脉中铂族金属储量为6628吨，铂族元素平均品位为22.3×10-6，铂平均品位为4.3×10-6；加拿大Sudbury岩体，铂族金属储量为763.9 吨（唐冬梅等，2008；张铭杰等，2022）。此外，少量铂族金属资源赋存于热液型矿床，如加拿大Mcbratney岩体；火山岩块状硫化物型矿床，如加拿大Lac des Iles岩体和外生型矿床，如俄罗斯远东Zolotaya砂金矿中。

中国铂族元素资源几乎全部赋存于岩浆铜镍硫化物矿床中，铂族金属储量以甘肃省最多，约占全国总储量的57％，其次为云南、四川、黑龙江等省。迄今为止，根据矿石量和Ni品位，我国主要的铜镍硫化物矿床有14个，矿床形成时代主要集中于新元古代与古生代（张铭杰等，2022）。铂族元素资源按其产出的构造环境可分为板内环境和汇聚板块环境两类。板内环境产出的代表是金川铜镍硫化物矿床，伴生铂族金属储量约为177吨，铂储量119吨，铂族元素品位约为0.4×10-6，中国铂族金属产量的95%来自该矿床。此外，这类矿床还有杨柳坪岩浆型铜镍硫化物矿床，伴生铂族元素储量为35 吨，铂族元素品位约为0.5×10-6；金宝山铂钯矿床，是中国目前发现的唯一的大型独立铂钯矿床，铂族金属储量为45 吨，铂族元素品位平均为3 × 10-6，以及力马河铜镍硫化物矿床、白马寨铜镍硫化物矿床。汇聚板块环境产出的有黑山铜镍硫化物矿床（中亚造山带）和夏日哈木镍钴硫化物矿床，以及中亚造山带中一系列在碰撞后伸展阶段形成的矿床（王焰等，2020）。

4铂的应用及地质意义

因为金属铂具有高熔点（1772 ℃）、出色的抗腐蚀性以及稳定的化学性质等特点，在首饰、催化剂、传感器、抗癌药物、石油精炼、电子设备制造等领域均有着广泛应用。

♦ 铂金首饰

早在公元前1200年铂就在人类文明史上闪出耀眼的光芒，古埃及人从古努比亚王国进口黄金，其中就有铂金的踪迹。公元前700年，埃及公主希帕纽普特大祭司被埋葬在巨大的石棺中，上面饰有黄金和铂金的象形文字，墓中还有一个由铂金制成的小首饰盒。公元前100年，古代南美文明中著名的印加文明，能工巧匠们成功地掌握了铂金加工工艺，将铂金制成鼻环以及其它仪式用饰品。此后，铂金在人类历史中消失了近2千年，直到欧洲探险家们发现了新大陆，才又登上历史舞台。

16世纪，西班牙帝国形成，铂金被发现并作为“力拓河中的碎银”逐渐传入欧洲。18世纪，法国路易十六国王和王后成为个拥有铂金饰品的人，铂金备受法国国王路易十六的偏爱，称其为“唯一与国王称号相匹配的贵金属”。1900年Cartier次将铂金运用于皇冠饰品后，铂金细腻精致的质感更是征服了欧洲的皇室贵族。

今天，铂金的首饰用途继续沿用，作为爱情的象征，走进千家万户（图6）。铂金也因其耐腐蚀和很少与其他物质发生反应的优点，有着爱情永恒不变的寓意，被称之为“爱情金属”。

图6 铂金首饰

♦ 燃料电池的“心脏”——铂基催化剂

近年来，随着能源危机和环境污染问题日益严峻，氢燃料电池汽车产业发展迅猛，其中质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其具有高效率、无污染、噪音小等优点而逐渐成为电动汽车绿色动力能源（图7，侯明和衣宝廉，2016）。

如果把燃料比作PEMFCs的血液，那么催化剂就是PEMFCs的心脏。铂基催化剂根据其是否含其他金属主要分为“纯铂催化剂”和“铂合金催化剂”。纯铂催化剂活性高、稳定性好，目前在实际工业中已经可以量产，但成本过高，制约PEMFCs的商业化发展。铂合金催化剂能够有效降低铂载量、提高催化剂活性，但是，目前还处于实验室研发阶段，也难以量化生产（侯明和衣宝廉，2016；易莹等，2021）。

图7 质子交换膜燃料电池（引自易莹等，2021）

♦ 铂合金纳米材料

金属、半导体和导体聚合物形成的一维纳米结构，如纳米线和纳米棒，具有独特的电、光、磁和机械特性，在纳米器件中具有潜在的应用。Pt的纳米粒子具有非常特别的光谱学特征，在光信息处理、激光防护等非线性光学器件方面具有重要的用途(易莹等，2021）。由Pt参与制备的合金纳米自组装材料被广泛应用于化学、生物传感器等许多领域。如Au-Pt合金纳米线，在传感器设备上组装简单，且灵敏度高、响应快、稳定性和重现性好，因此，Au-Pt合金纳米线作为电催化传感器材料具有较好应用价值。

♦ 发光铂配合物

生物体内存在一些进行信号传递、代谢调控的活性分子，当这些活性物质超出限定范围，可能会导致癌症等疾病。因此追踪和监测体内这些活性物质，对于疾病的发现和发病机制的研究具有重要意义。目前，在活性物质示踪领域，金属配合物发光探针因其具有灵敏度高、稳定性好等优点而成为研究热点。

2017年，Yam和Law（2020）设计了发光的一种阴离子炔基铂（Ⅱ）配合物作为生物探针，用于胰蛋白酶的检测。相比于传统有机荧光团，发光铂（Ⅱ）配合物具有光化学稳定性更好、荧光寿命更长、不易自我猝灭等优点。因此，发光铂（Ⅱ）配合物作为分子功能材料，在有机发光二极管和光传感领域应用成为了研究前沿和热点。

♦ 铂类抗癌药物

铂配合物，如顺铂、卡铂、奥沙利铂等在抗癌药物领域发挥着巨大作用。自从1965年Rosenberg发现了顺铂对细胞增殖的抑制作用后，铂便开始以抗癌药物的角色进入人们视野。顺铂对于肺癌、卵巢癌、胃癌、头部肿瘤等都具有抗癌活性，但在“消灭”癌细胞的同时却会产生大量的自由基，造成肾损伤。因此，后来科研人员陆续研制出第二代、第三代铂类抗癌药物，其作用机理大致相同，但在耐药性和毒副作用方面有了很大改进。

♦ 铂族元素对幔源岩浆形成与演化的示踪意义

铂不仅在人们的日常生产生活中有许多用途，而且还对地幔岩浆形成与演化的研究具有非常重要的地质意义。镍（Ni）、铜（Cu）和铂族元素是幔源岩浆起源和演化以及岩浆硫化物矿床成因研究的示踪元素组合。它们都具有不同于其他微量元素的特殊的地球化学性质，因此在幔源岩浆起源和演化以及岩浆硫化物矿床的成因研究中具有不可替代的作用。在硫（S）不饱和的条件下，Ni、Os、Ir和Ru具有相容元素的特性，而Cu和Pd是强不相容元素，因此，它们在玄武岩浆分离结晶过程中常常发生分异。一旦体系中S达到饱和，这些元素就会进入硫化物熔浆，特别是具有极高的硫化物熔浆/硅酸盐熔浆分配系数的铂族元素，极微量的硫化物熔离便可导致残余岩浆中铂族元素的显著亏损。因此，铂族元素是示踪幔源岩浆硫化物熔离历史最敏感的示踪元素（宋谢炎等，2009）。

5铂金属的应用发展趋势及需求

中国是的铂族金属消费国，年需求量超过70吨，而每年的产量仅为2～3吨，产需之间存在巨大的缺口（王焰等，2020）。铂是氢燃料电池中必需的催化剂，在中国的铂金消费结构中，汽车工业需求占比，其次是首饰、原油工业、化工工业、玻璃制造和电子工业(马腾等，2019）。氢燃料汽车的快速发展将成为未来铂金属需求增长的新动力之一，对我国实现“双碳”目标有着极为重要的作用。近年来，世界发达国家先后制定了氢能发展战略。随着日本、韩国、欧盟、美国等发达国家氢能源汽车产业快速发展，全球铂金属增量需求将快速增长，资源竞争将会更加激烈。

未来，我国对铂金属的需求仍将持续上升，对外依存度将进一步加大，因而应及时进行战略储备，加大铂族金属二次回收政策扶持力度，加强国内共伴生铂族元素矿床尤其是铜镍硫化物矿床的调查。在找矿方面，不仅要注意与镁铁质-超镁铁质岩有关的岩浆型铂族元素矿床，也要注意与镁铁质-超镁铁质岩有关接触型热液矿床。同时，还应加强技术创新，提高我国共伴生铂族金属矿床的采收率。以免因铂族金属控制国在经济、政治、军事等方面的变动对我国造成“卡脖子”的负面影响。

主要参考文献：

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