鉑金屬是大家比較熟悉的一類貴金屬，在珠寶首飾中常見的“鉑金”就是鉑與金的合金。在很多新興戰(zhàn)略性產業(yè)中也有廣泛的應用，如氫燃料電池汽車、傳感器、電子元器件、抗癌藥物、化工催化劑等。由于鉑金屬在這些產業(yè)中的重要作用，已被很多國家列為一類戰(zhàn)略性礦產。我國的鉑金屬消費量居世界之首，但資源量和產量都很低，對外依存度高。尤其是近年來氫燃料電池汽車快速發(fā)展，我國對鉑金屬的需求量還在逐年增大，未來對外依存度預計還將進一步加大。因此加強對鉑金屬的研究，對我國資源安全有重要意義。

1鉑的發(fā)現

16世紀初，西班牙殖民帝國逐漸形成，大批的西班牙冒險家蜂擁到非洲和美洲去探金尋寶。在厄瓜多爾的河流中淘金時，人們發(fā)現有一種白色的金屬混雜在黃金中間。他們認為這是銀的廉價“親戚”或者是“未成熟”的黃金，費了好大的勁兒才把這種白色金屬分離出來，輕蔑地稱之為“platina del Pinto”，意思是“力拓河中的碎銀”。鉑的英文名platinum，正是來自西班牙語中“白銀”一詞（plata）（Challoner, 2014）。

當時的人們還“不識貨”，不僅關閉了部分被鉑“污染”的金礦，而且當西班牙政府看見商人在銀元中混用摻有鉑的偽幣時，還憤怒地下令把開采到的鉑統(tǒng)統(tǒng)扔進大海。此后，鉑被冷落了許久，直到科學家們發(fā)現鉑獨特的性質后，人們才對它刮目相看。

圖1 安東尼奧·德·烏略亞肖像

18世紀40年代西班牙數學家、探險家安東尼奧·德·烏略亞（Antonio de Ulloa，圖1）帶領科學考察團赴秘魯考察，他們在金礦中發(fā)現了一塊難以加工的鉑金屬，并記錄下有關它的詳細資料。1748年，英國化學家沃森（Watson）確認這是一種新元素，并稱其為“platinum”。1752年，瑞典人亨利克·特奧菲盧斯·謝佛爾（Henrik Teofilus Scheffer）仔細研究了鉑，并確認它是一種貴金屬元素。在隨后的半個世紀里科學家對鉑的興趣大增，并對其進行了各種各樣的物理、化學分析。然而，鉑在所有金屬中的反應活性是最低的，這使得科學家很難勘破它的秘密（Challoner, 2014）。

2鉑的性質

經過長期的研究，現在人們對鉑已經較為了解了。鉑，元素符號Pt，原子序數78，位于元素周期表第六周期，Ⅷ族，是一種化學性質極其穩(wěn)定的貴金屬（圖2）。原子量195.084，略小于金的原子量。鉑金屬的密度大（21.45 g/cm3 ，20 ℃），熔點高（1772 ℃），沸點高（3827 ± 100 ℃），化學性質不活潑，有良好的延展性、導熱性和導電性。與鉑性質相近的同一組的元素還有鋨（Os）、銥（Ir）、釕（Ru）、銠（Rh）和鈀（Pd），它們被人們統(tǒng)稱為鉑族元素（PGE）。

圖2 鉑元素的化學性質圖解

鉑的抗腐蝕性極強，而且耐高溫，同時又具有漂亮的光澤感，在地球的含量極其稀少，一些含鉑金屬的材料被制作成了首飾，被稱為“鉑金”或“白金”。

純的鉑為有金屬光澤、具可延展性的銀白色金屬（圖3）。它的可延展性是所有純金屬中最高的，勝過金、銀和銅。鉑金屬的抗腐蝕性極強，在高溫下非常穩(wěn)定，電性能亦很穩(wěn)定。鉑可與金、銀、銅、鉛、錫、銻、鉍、鋅或砷等形成合金，而釕、銠和銥是其常用的硬化劑。含銥量為10 %的鉑合金和含釕量為5 %的鉑合金是上等的鉑首飾材料，商業(yè)上稱為“硬鉑”。鉑銠合金的抗氧化性能相當好，即使在高溫下也很穩(wěn)定,因此鉑銠合金常用于制造熱電偶、熔化玻璃的坩堝材料等。

圖3 鉑金屬單質

粉狀鉑對氣體特別是氫氣有很好的吸附性能，因而成為一種非常重要的催化劑。常溫常壓下，將氫氣和氧氣混合放置生成水至少需要幾千年，但如果加入一點鉑粉作為催化劑，該反應在瞬間就能以爆炸的形式發(fā)生，而鉑粉卻依然如故。高溫時，碳能溶于鉑，降溫后有部分析出，殘留的碳會使鉑變脆，即所謂的碳中毒。所以熔融鉑時，不能與碳接觸，通常選用剛玉或氧化鋯作為熔融鉑的坩堝材料。

鉑的化學性質非常不活潑，在空氣和潮濕環(huán)境中相當穩(wěn)定。鉑不可溶于鹽酸和硝酸，但會溶于熱王水，形成氯鉑酸（H2PtCl6）。鉑的電價為+2、+3、+4、+5、+6?？梢孕纬膳湮换衔?，如[Pt(NH3)2]Cl2、K[Pt(NH3)。高溫下能與硫、磷、鹵素發(fā)生反應，可用于制鋇鹽、合金、焰火、核反應堆等。這些性質都使鉑成為了工業(yè)上應用廣泛的金屬。

由于鉑的強惰性讓它有了非常合適的用途，法國科學院制造了一根鉑棒作為“米”的標準（圖4a），同時還制造了一根鉑圓柱體（含90 %的鉑和10 %的銥）作為“千克”的標準（圖4b）。

圖4 國際米原器（a）和國際千克原器（b）

3鉑的自然分布及資源現狀

鉑族元素主要集中在2900千米之下的地核中，少數在數十千米之下的地幔中，而在觸手可及的地殼巖石中卻極其稀少，含量僅為5×10-9。相較于金、銀礦產資源，鉑族元素的資源儲備更低，通常是作為提煉鎳與銅的副產物而獲得。鉑族元素是高度惰性的一類元素，它們的活動性一般與大規(guī)模的幔源巖漿作用相關。鉑族元素也具有一定的熱液活動性，可在不同構造環(huán)境下由熱液活動形成的鹵水、礦石礦物或地質體中富集；富含揮發(fā)分的流體也可使鉑族金屬重新活化遷移，并在有利部位富集（嚴海波等，2020）。例如，美國Stillwater巖體和南非Bushveld雜巖體中，富含鉑族元素巖層的巖石學和地球化學特征清楚反映了原巖在流體或富含揮發(fā)分的熔融體作用下發(fā)生的改變（蘇尚國等，2007）。目前已知的鉑族元素礦床類型有巖漿型、熱液型、火山巖塊狀硫化物型和外生型四大類（唐冬梅等，2008；馬騰等，2019），其中巖漿型礦床又分為銅鎳硫化物型、鉻鐵礦型和磁鐵礦型，尤其是與鎂鐵-超鎂鐵質巖密切相關的是全球鉑族元素的主要來源，幾乎提供了全部的鉑族元素儲量（圖5）。

圖5 全球主要含鉑族元素礦床類型及分布（修改自Juris et al., 2020）

截至2021年，世界已探明鉑族元素資源總儲量約為7萬噸（Bolen, 2022）。全球鉑金儲量最多的五個國家依次為南非、俄羅斯、津巴布韋、加拿大、美國。全球已探明的鉑族金屬資源總量超過10萬噸，其中巖漿型銅鎳硫化物礦床在全球范圍內無論在儲量、產量上都占據最重要的地位。例如，南非Bushveld雜巖體，鉑族金屬儲量，約為62816噸，平均品位為5.4×10-6；俄羅斯Noril’sk巖體，鉑族金屬儲量約為20255.2噸；津巴布韋Great Dyke巖體，鉑資源量有3000多噸，鉑平均品位為2.8×10-6；美國Stillwater巖體，J-M礦脈中鉑族金屬儲量為6628噸，鉑族元素平均品位為22.3×10-6，鉑平均品位為4.3×10-6；加拿大Sudbury巖體，鉑族金屬儲量為763.9 噸（唐冬梅等，2008；張銘杰等，2022）。此外，少量鉑族金屬資源賦存于熱液型礦床，如加拿大Mcbratney巖體；火山巖塊狀硫化物型礦床，如加拿大Lac des Iles巖體和外生型礦床，如俄羅斯遠東Zolotaya砂金礦中。

中國鉑族元素資源幾乎全部賦存于巖漿銅鎳硫化物礦床中，鉑族金屬儲量以甘肅省最多，約占全國總儲量的57％，其次為云南、四川、黑龍江等省。迄今為止，根據礦石量和Ni品位，我國主要的銅鎳硫化物礦床有14個，礦床形成時代主要集中于新元古代與古生代（張銘杰等，2022）。鉑族元素資源按其產出的構造環(huán)境可分為板內環(huán)境和匯聚板塊環(huán)境兩類。板內環(huán)境產出的代表是金川銅鎳硫化物礦床，伴生鉑族金屬儲量約為177噸，鉑儲量119噸，鉑族元素品位約為0.4×10-6，中國鉑族金屬產量的95%來自該礦床。此外，這類礦床還有楊柳坪巖漿型銅鎳硫化物礦床，伴生鉑族元素儲量為35 噸，鉑族元素品位約為0.5×10-6；金寶山鉑鈀礦床，是中國目前發(fā)現的唯一的大型獨立鉑鈀礦床，鉑族金屬儲量為45 噸，鉑族元素品位平均為3 × 10-6，以及力馬河銅鎳硫化物礦床、白馬寨銅鎳硫化物礦床。匯聚板塊環(huán)境產出的有黑山銅鎳硫化物礦床（中亞造山帶）和夏日哈木鎳鈷硫化物礦床，以及中亞造山帶中一系列在碰撞后伸展階段形成的礦床（王焰等，2020）。

4鉑的應用及地質意義

因為金屬鉑具有高熔點（1772 ℃）、出色的抗腐蝕性以及穩(wěn)定的化學性質等特點，在首飾、催化劑、傳感器、抗癌藥物、石油精煉、電子設備制造等領域均有著廣泛應用。

? 鉑金首飾

早在公元前1200年鉑就在人類文明史上閃出耀眼的光芒，古埃及人從古努比亞王國進口黃金，其中就有鉑金的蹤跡。公元前700年，埃及公主希帕紐普特大祭司被埋葬在巨大的石棺中，上面飾有黃金和鉑金的象形文字，墓中還有一個由鉑金制成的小首飾盒。公元前100年，古代南美文明中著名的印加文明，能工巧匠們成功地掌握了鉑金加工工藝，將鉑金制成鼻環(huán)以及其它儀式用飾品。此后，鉑金在人類歷史中消失了近2千年，直到歐洲探險家們發(fā)現了新大陸，才又登上歷史舞臺。

16世紀，西班牙帝國形成，鉑金被發(fā)現并作為“力拓河中的碎銀”逐漸傳入歐洲。18世紀，法國路易十六國王和王后成為個擁有鉑金飾品的人，鉑金備受法國國王路易十六的偏愛，稱其為“唯一與國王稱號相匹配的貴金屬”。1900年Cartier次將鉑金運用于皇冠飾品后，鉑金細膩精致的質感更是征服了歐洲的皇室貴族。

今天，鉑金的首飾用途繼續(xù)沿用，作為愛情的象征，走進千家萬戶（圖6）。鉑金也因其耐腐蝕和很少與其他物質發(fā)生反應的優(yōu)點，有著愛情永恒不變的寓意，被稱之為“愛情金屬”。

圖6 鉑金首飾

? 燃料電池的“心臟”——鉑基催化劑

近年來，隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻，氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展迅猛，其中質子交換膜燃料電池（PEMFCs）因其具有高效率、無污染、噪音小等優(yōu)點而逐漸成為電動汽車綠色動力能源（圖7，侯明和衣寶廉，2016）。

如果把燃料比作PEMFCs的血液，那么催化劑就是PEMFCs的心臟。鉑基催化劑根據其是否含其他金屬主要分為“純鉑催化劑”和“鉑合金催化劑”。純鉑催化劑活性高、穩(wěn)定性好，目前在實際工業(yè)中已經可以量產，但成本過高，制約PEMFCs的商業(yè)化發(fā)展。鉑合金催化劑能夠有效降低鉑載量、提高催化劑活性，但是，目前還處于實驗室研發(fā)階段，也難以量化生產（侯明和衣寶廉，2016；易瑩等，2021）。

圖7 質子交換膜燃料電池（引自易瑩等，2021）

? 鉑合金納米材料

金屬、半導體和導體聚合物形成的一維納米結構，如納米線和納米棒，具有獨特的電、光、磁和機械特性，在納米器件中具有潛在的應用。Pt的納米粒子具有非常特別的光譜學特征，在光信息處理、激光防護等非線性光學器件方面具有重要的用途(易瑩等，2021）。由Pt參與制備的合金納米自組裝材料被廣泛應用于化學、生物傳感器等許多領域。如Au-Pt合金納米線，在傳感器設備上組裝簡單，且靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性和重現性好，因此，Au-Pt合金納米線作為電催化傳感器材料具有較好應用價值。

? 發(fā)光鉑配合物

生物體內存在一些進行信號傳遞、代謝調控的活性分子，當這些活性物質超出限定范圍，可能會導致癌癥等疾病。因此追蹤和監(jiān)測體內這些活性物質，對于疾病的發(fā)現和發(fā)病機制的研究具有重要意義。目前，在活性物質示蹤領域，金屬配合物發(fā)光探針因其具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而成為研究熱點。

2017年，Yam和Law（2020）設計了發(fā)光的一種陰離子炔基鉑（Ⅱ）配合物作為生物探針，用于胰蛋白酶的檢測。相比于傳統(tǒng)有機熒光團，發(fā)光鉑（Ⅱ）配合物具有光化學穩(wěn)定性更好、熒光壽命更長、不易自我猝滅等優(yōu)點。因此，發(fā)光鉑（Ⅱ）配合物作為分子功能材料，在有機發(fā)光二極管和光傳感領域應用成為了研究前沿和熱點。

? 鉑類抗癌藥物

鉑配合物，如順鉑、卡鉑、奧沙利鉑等在抗癌藥物領域發(fā)揮著巨大作用。自從1965年Rosenberg發(fā)現了順鉑對細胞增殖的抑制作用后，鉑便開始以抗癌藥物的角色進入人們視野。順鉑對于肺癌、卵巢癌、胃癌、頭部腫瘤等都具有抗癌活性，但在“消滅”癌細胞的同時卻會產生大量的自由基，造成腎損傷。因此，后來科研人員陸續(xù)研制出第二代、第三代鉑類抗癌藥物，其作用機理大致相同，但在耐藥性和毒副作用方面有了很大改進。

? 鉑族元素對幔源巖漿形成與演化的示蹤意義

鉑不僅在人們的日常生產生活中有許多用途，而且還對地幔巖漿形成與演化的研究具有非常重要的地質意義。鎳（Ni）、銅（Cu）和鉑族元素是幔源巖漿起源和演化以及巖漿硫化物礦床成因研究的示蹤元素組合。它們都具有不同于其他微量元素的特殊的地球化學性質，因此在幔源巖漿起源和演化以及巖漿硫化物礦床的成因研究中具有不可替代的作用。在硫（S）不飽和的條件下，Ni、Os、Ir和Ru具有相容元素的特性，而Cu和Pd是強不相容元素，因此，它們在玄武巖漿分離結晶過程中常常發(fā)生分異。一旦體系中S達到飽和，這些元素就會進入硫化物熔漿，特別是具有極高的硫化物熔漿/硅酸鹽熔漿分配系數的鉑族元素，極微量的硫化物熔離便可導致殘余巖漿中鉑族元素的顯著虧損。因此，鉑族元素是示蹤幔源巖漿硫化物熔離歷史最敏感的示蹤元素（宋謝炎等，2009）。

5鉑金屬的應用發(fā)展趨勢及需求

中國是的鉑族金屬消費國，年需求量超過70噸，而每年的產量僅為2～3噸，產需之間存在巨大的缺口（王焰等，2020）。鉑是氫燃料電池中必需的催化劑，在中國的鉑金消費結構中，汽車工業(yè)需求占比，其次是首飾、原油工業(yè)、化工工業(yè)、玻璃制造和電子工業(yè)(馬騰等，2019）。氫燃料汽車的快速發(fā)展將成為未來鉑金屬需求增長的新動力之一，對我國實現“雙碳”目標有著極為重要的作用。近年來，世界發(fā)達國家先后制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略。隨著日本、韓國、歐盟、美國等發(fā)達國家氫能源汽車產業(yè)快速發(fā)展，全球鉑金屬增量需求將快速增長，資源競爭將會更加激烈。

未來，我國對鉑金屬的需求仍將持續(xù)上升，對外依存度將進一步加大，因而應及時進行戰(zhàn)略儲備，加大鉑族金屬二次回收政策扶持力度，加強國內共伴生鉑族元素礦床尤其是銅鎳硫化物礦床的調查。在找礦方面，不僅要注意與鎂鐵質-超鎂鐵質巖有關的巖漿型鉑族元素礦床，也要注意與鎂鐵質-超鎂鐵質巖有關接觸型熱液礦床。同時，還應加強技術創(chuàng)新，提高我國共伴生鉑族金屬礦床的采收率。以免因鉑族金屬控制國在經濟、政治、軍事等方面的變動對我國造成“卡脖子”的負面影響。

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