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京都大学开发出颠覆常识的合金新制法

发布时间:2016-12-10 14:57浏览次数:
  用两种原本不应混合到一起的金属来制造合金——日本京都大学的研究小组开发出了这种颠覆业界常识的全新制造技术。使用这种技术制造出来的合金有望替代昂贵的稀有元素以及很难利用的有害元素等。该技术“适用于多种金属,应用范围十分广泛”(京都大学研究生院理学研究系化学专业教授北川宏),作为“现代炼金术”而备受关注。实际上,已有大型材料企业对该技术表现出了浓厚的兴趣。这项技术有望成为资源匮乏的日本的救世主,除了研究资金以外,日本科学技术振兴机构(JST)还为该技术的专利申请提供了支援。
 
  根据电子显微镜结果绘制的Pd0.5Ru0.5纳米粒子的元素映射图(图片来自于京都大学)
 
  价格低、性能高
 
  京都大学北川教授于2014年1月发布了新型合金制造技术的成果——钯(Pd)钌(Ru)合金。北川利用扫描型电子显微镜证实,钯和钌在原子水平上均匀地混合在了一起。
 
  据京都大学介绍,钯钌合金的化学特性与元素周期表中位于二者之间的铑(Rh)接近,可作为铑的替代品使用(图1)。铑可以用作将家用燃料电池发电过程中产生的一氧化碳(CO)转化为CO2的催化剂,以及从汽车尾气中去除氮氧化物(NOx)的催化剂。此外还被用作珠宝首饰的白金上色材料、抑制金属过敏的材料以及耐磨耗用电镀材料。
 
  图1 用合金代替稀有元素和有害元素
 
  京都大学等的研究小组打算通过基于两种金属元素的合金,来代替稀有元素及有害元素。2014年1月发表的成果是催化剂性能超过铑的钯钌合金。此外,该大学还在致力于用银锡合金代替镉等有害元素的研究。
 
  北川表示,“每克铑的价格高达约4000日元,而且只存在于南非的部分地区,采购方面存在风险。而钌的价格约为每克200日元,钯的价格约为每克2600日元。对于钯和钌的含量为1:1的Pd0.5Ru0.5,通过简单计算可知,合金价格约为每克1400日元,只有铑的约1/3。”
 
  北川还介绍说,新型合金作为催化剂使用时的性能也很好。此次京都大学验证了利用新合金将CO转化为CO2的效率,结果发现,与作为CO氧化催化剂发挥作用的钌、钯、铑相比,钯钌合金在更低的温度下达到了同等程度的转换率(图2)。虽然可以调整钯钌合金的成分比例,但Pd0.5Ru0.5就显示出了最高的活性。虽然通常是使用钌作为CO的氧化催化剂,但京都大学认为,钌钯合金的催化剂能力高于钌,因此有助于延长燃料电池组的寿命。
 
  图2 将CO转化为CO2的效率很高
 
  作为将CO转化为CO2、从而减少CO的催化剂使用时,钯钌合金的性能要高于钌及钯。对于将CO转化为CO2的效率进行比较发现,获得相同的转化效率时,钯钌合金所需温度比钌及铑低约40℃,比钯低约60℃。(该图由《日经电子》根据京都大学的资料绘制)
 
  京都大学还验证了新型合金用作去除NOx的催化剂时的特性,北川自信地说,“取得了很好的成果”。据说有汽车厂商对新合金非常感兴趣。去除NOx的详细成果今后将在学会上发表。
 
  把两种不相配的金属“凑成一对儿”
 
  北川称,钯和钌原本“是最合不来一对儿”,即便在高温液体状态下,也无法实现原子水平的混合。对此,京都大学采用了“Bottom-Up法”,通过还原含有金属离子的溶液来制作纳米级合金粒子。
 
  此次使用由氯亚钯酸钾[K2(PdCl4)]和氯化钌(RuCl3)混合而成的水溶液,以及作为还原剂发挥作用的三乙二醇(C6H14O4),制成了钯钌合金(图3)。为了让合金粒子保持在纳米尺寸,还在还原剂中添加了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。为了使水溶液中的金属离子被高效还原,制造合金时向还原剂喷洒了上述水溶液。
 
  图3 使钌和钯在原子水平上融合
 
  在作为还元剂发挥作用的三乙二醇中混合PVP,向得到的溶液喷洒含有钌离子和钯离子的溶液,以生成钌原子和钯原子。这些原子聚在一起形成原子簇,原子簇集合起来形成钯钌合金的纳米粒子。添加PVP的目的是控制粒径。(图形由京都大学制作)
 
  京都大学曾于2010年运用Bottom Up法制造出了特性类似于钯的铑银合金。北川表示,尽管“这是一项卓越的科学成果”,但因铑的价格昂贵,合金成本超过了钯,因此“很难实现工业化”。虽未透露详情,但北川表示,此次制造钯钌合金时运用了当时积累的技术经验。
 
  现在,该大学还在尝试制造多种合金。比如特性与钴(Co)和镍(Ni)相近的铁铜(FeCu)合金、特性与镉(Cd)及铟(In)相近的锡银(SnAg)合金

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