中科院研究制備出金屬-非金屬置換式固溶體

置換式固溶體是指溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)形成的固溶體。由于金屬和非金屬在原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性和成鍵方式等方面存在顯著差異，通常形成的是間隙固溶體，而非置換式固溶體。因此，在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，金屬-非金屬置換式固溶體的研究對(duì)于優(yōu)化和設(shè)計(jì)金屬及其他合金的性能具有重要意義。

　　中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員楊軍課題組用三正辛基膦 (TOP)對(duì)預(yù)先形成的鉑 (Pt)納米顆粒進(jìn)行磷酸化，使得磷(P)原子能夠取代處于晶體格點(diǎn)位置的部分Pt原子，形成Pt-P置換式固溶體。

　　研究團(tuán)隊(duì)首先在十八烯(octadecene)和油胺(oleylamine)混合溶劑中制備出蟲(chóng)子狀的Pt納米顆粒。隨后，在高溫條件下，使用TOP對(duì)這些納米顆粒進(jìn)行磷化處理。透射電子顯微鏡觀察顯示，磷化反應(yīng)顯著改變了顆粒的形貌，由原始的蟲(chóng)子狀變?yōu)橹睆郊s為4.8納米的完全球形置換式固溶體。

　　通過(guò)理論計(jì)算和多種表征手段，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了Pt-P置換式固溶體的形成。理論計(jì)算表明，如果磷化后的固溶體能夠維持穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)，則P的摻雜上限約為10%，這與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果高度吻合。有限的P摻雜現(xiàn)象可以從材料科學(xué)基礎(chǔ)理論上得到解釋：由于原子尺寸的差異，P原子取代部分Pt原子必然會(huì)在周圍產(chǎn)生較大晶格畸變，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)能增加，從而限制了P原子的取代上限。

　　此外，研究還發(fā)現(xiàn)，磷化后的固溶體在蠕變條件下表現(xiàn)出固溶強(qiáng)化作用，這是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用導(dǎo)致的。這種固溶強(qiáng)化作用使得固溶體在相同的蠕變速度下所需的外應(yīng)力比純金屬大，從而提高了材料的力學(xué)性能。

　　P摻雜Pt形成的固溶體在電化學(xué)反應(yīng)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，特別是在解決催化劑成本高和活性低等問(wèn)題方面。置換式固溶體的成功制備為開(kāi)發(fā)高性能催化劑提供了新的途徑。

　　相關(guān)研究成果Substitutional Platinum-Phosphorus Solid Solution by Phosphidation of Worm-Like Pt Nanoparticles Using Tri-n-octylphosphine于近日發(fā)表在國(guó)際期刊《Small》上。