铂：探索工业“维生素”的无限可能
发布时间：
2025-11-05
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当人们提到“铂金”，首先想到的往往是璀璨的珠宝与珍贵的投资品。然而，在工业界和科技前沿，铂以其无与伦比的物理化学特性，扮演着更为关键的角色——它是催化反应的“魔术师”，是医药领域的“生命卫士”，也是高端合金的“力量之源”。我们希望通过这篇文章，带您领略铂在三大核心应用领域的卓越风采。
当人们提到“铂金”，首先想到的往往是璀璨的珠宝与珍贵的投资品。然而，在工业界和科技前沿，铂以其无与伦比的物理化学特性，扮演着更为关键的角色——它是催化反应的“魔术师”，是医药领域的“生命卫士”，也是高端合金的“力量之源”。我们希望通过这篇文章，带您领略铂在三大核心应用领域的卓越风采。
一、催化领域：高效与节能的推动者
贵金属铂凭借其高催化活性和热稳定性，成为化学工业中不可或缺的催化剂。
在汽车尾气净化领域，铂主要作为汽油车、柴油车、摩托车等内燃机的三元催化剂，它主要通过促进氧化还原反应，将尾气中的有害气体转化为无害物质。
表1 铂在汽车尾气净化中的主要应用场景和技术特点
在新能源领域，铂是目前唯一能高效催化阴极氧还原反应(ORR)和阳极氢氧化反应(HOR)的实用化催化剂。阴极反应动力学缓慢，需要较高的铂负载量，这使得铂成为质子交换膜燃料电池（PEMFC）成本的主要部分之一。
尽管铂的催化性能卓越，但其大规模应用面临着两个主要挑战：高昂的成本和高温下的不稳定性。传统催化剂以铂纳米颗粒形式发挥作用，许多铂原子被包裹在内部无法参与反应。或者利用金属-载体强相互作用以实现金属原子分散，然而金属原子往往呈现（部分）氧化态；利用分子筛等多孔材料虽可稳定金属态单原子，但其微孔结构阻碍分子扩散，不利于大分子反应。
因此，近年来单原子分散铂催化剂成为研究热点，通过最大化原子利用率，在降低贵金属用量的同时保持高催化效率。天津大学巩金龙团队提出了创新的"原子抽提"策略，通过在含有Pt的Cu纳米颗粒中引入原子半径较大的Sn，使Sn倾向于分布在颗粒表面，同时，利用Sn与Pt之间能形成的强金属键特性促进Pt向表面偏析，并大幅提升了Pt单原子在纳米颗粒表面分散度。将PtSnCu三元合金催化剂用于丙烷脱氢制丙烯这一重要工业反应中，在Pt用量约为工业PtSnK/Al2O3催化剂十分之一的情况下，仍表现出相近的丙烷转化率，并具备更优的催化稳定性和丙烯选择性。该研究揭示了金属间协同作用对提升贵金属原子利用率的作用机制，所提出的“原子抽提”策略为稀缺贵金属资源的高效利用和高性能催化剂设计提供了借鉴。
图1 金属间尺寸及成键强度差异协同驱动的“原子抽提”示意
目前，低铂、超低铂技术已成为绝对主流的研究和产业化方向。单原子催化剂虽然尚处实验室向产业化的过渡阶段，但铂钴合金等有序金属间化合物催化剂已成功实现量产并应用于电堆。铂源催化在龙蟠首届全球新技术发布会上宣布二代铂钴合金催化剂量产上市，二代催化剂含有45%-46%的铂，4-5%的钴，通过超晶格技术使铂载量下降33.3%，膜电极载量从一代的0.3mg/cm²降至0.2mg/cm²，成本大幅下降。在0.65V下的功率密度达到1.35W/cm²，比一代铂碳催化剂活性提高20%。同时采用美国能源部DOE的30000圈测试，电压衰减率仅3%，下降24mV，远低于美国能源部5000小时车辆运行周期内目标衰减低于30mV的要求。
铂凭借其无与伦比的催化特性，在过去半个多世纪里深刻地改变了我们的环境、工业和生活方式。从守护蓝天的汽车尾气净化器，到连接世界的化纤衣物，再到驱动未来的氢能燃料电池，铂的身影无处不在。展望未来，铂基催化剂将趋向于构建多维度协同的复合结构，同时优化电子传导、质量传输和结构稳定性。
二、医药领域：抗癌治疗的重要武器
铂具有稳定的化学性质和良好的生物相容性，关于铂作为药物用于治病的历史可追溯到20世纪，当时癌症成为人类死亡的第二大原因，为了克服癌症对人类健康和生命的威胁，全世界进行了持久而深入的抗癌药物研究。1965年，美国密执安州立大学教授卢森堡 (B.Rosenberg)在研究微电流对细菌的作用时，发现铂配合物对大肠杆菌的分裂繁殖产生强烈的抑制作用，在此基础上他继续深人研究，于1969年首次报道了顺铂具有广谱的抗癌活性，开拓了抗癌药物研究的新领域。
铂类抗癌药物通过进入细胞内与DNA结合，阻碍其合成，从而抑制癌细胞的生长。主要作用机制是先通过跨膜运转进入细胞内部，进入细胞后，这些药物会发生离解反应，生成水合配离子，水合配离子会向靶DNA迁移，寻找结合位点。一旦找到合适的位点，铂类抗癌药物会与DNA配位，形成Pt-DNA加合物，从而阻碍DNA的合成，抑制肿瘤细胞增殖。
图2 临床中使用的铂类抗癌药物
近年来，Pt(IV)金属配合物成为铂类抗肿瘤药物研发的新方向。与传统Pt(II)药物相比，Pt(IV)配合物具有更高的稳定性、更低的毒副作用、可口服、能够克服铂耐药性等优点。河南大学的马静和谢松强教授团队对过去五年内Pt(IV)金属配合物的研究进展进行了全面梳理，该文章指出，随着金属药物与抗癌免疫治疗的融合发展，铂类药物的研究方向正从单一的铂类药物向多功能、多配体的铂杂合体转变。未来，Pt(IV)金属杂合体铂类药物有望在光动力疗法、纳米给药、靶向治疗、诊断治疗、免疫组合治疗以及肿瘤干细胞治疗等多个领域大放异彩。具有炎症抑制能力的新型铂(IV)药物是当前研究热点。肿瘤相关炎症会促进肿瘤进展，通过在铂(IV)配合物中引入抑炎功能，可以提高药物疗效并降低毒副作用。这些进展共同推动了铂类药物在抗肿瘤领域的持续发展。
图3 Pt(IV)金属杂合体铂类药物的抗肿瘤功能
此外，铂凭借其卓越的物理化学性质，已将其应用扩展到心血管支架和高端医疗器械等领域，展现了“一材多用”的巨大潜力。未来，随着纳米技术、生物技术和药物设计的融合，铂在医药领域的应用必将更加精准、高效和安全，继续为人类健康做出不可替代的贡献。
三、合金添加：尖端材料的“力量增强剂”
铂及其合金凭借优异的耐腐蚀性、高熔点和特殊物理化学性质，在高温结构材料、医疗器械和工业传感器等领域具有广泛应用。
在高温结构材料领域，高温强化铂合金通过固溶强化、弥散强化和沉淀强化等方法，显著提高了铂合金的力学性能和高温稳定性。这些强化铂合金在高温环境下保持优异性能，被广泛应用于玻璃工业、电子器件和航空航天等领域。
在医疗器械领域，铂合金因其良好的生物相容性和耐腐蚀性成为重要的医用材料。一项专利报道了一种含铂75.2-96wt%、镍0.5-20wt%、铜0.15-3.2wt%、钛3.9-23.7wt%的贵金属合金。该合金强度显著提高，且具有固态相转变滞后窄、相转变温度范围窄的特点，使合金对温度敏感，能快速实现温度的精确控制，适用于医疗器械材料以及工业传感器自动控制用感温和控温材料。
贵金属铂在催化剂、医药和合金添加三大领域都发挥着重要作用，其应用研究正朝着更高效、更经济、更专业化的方向发展。
在催化剂领域，提高铂原子利用率是核心研究方向，单原子催化剂和原子抽提等新策略正推动铂催化剂走向近乎极致的原子经济性。在医药领域，新型Pt(IV)配合物正朝着多功能、靶向性、组合治疗方向发展，为解决肿瘤耐药性和毒性问题提供新途径。在合金添加领域，通过成分设计和强化机制的创新，满足特定高温、医疗环境的特殊需求。
随着科技发展，铂作为重要贵金属材料，其应用领域还将不断拓展和深化，为人类应对能源、健康和高端制造等领域的挑战提供更多解决方案。
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