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原子占據溶劑晶格中的點陣節點形成的固溶體。由于金屬和非金屬在原子尺寸、晶體結構、電負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，在材料科學和工程領域，金屬-非金屬置換式固溶體的研究對于優化和設計金屬及其他合金的性能具有重要意義。

　　中國科學院過程工程研究所研究員楊軍課題組用三正辛基膦 (TOP)對預先形成的鉑 (Pt)納米顆粒進行磷酸化，使得磷(P)原子能夠取代處于晶體格點位置的部分Pt原子，形成Pt-P置換式固溶體。

　　研究團隊首先在十八烯(octadecene)和油胺(oleylamine)混合溶劑中制備出蟲子狀的Pt納米顆粒。隨后，在高溫條件下，使用TOP對這些納米顆粒進行磷化處理。透射電子顯微鏡觀察顯示，磷化反應顯著改變了顆粒的形貌，由原始的蟲子狀變為直徑約為4.8納米的完全球形置換式固溶體。

　　通過理論計算和多種表征手段，研究團隊證實了Pt-P置換式固溶體的形成。理論計算表明，如果磷化后的固溶體能夠維持穩定的面心立方結構，則P的摻雜上限約為10%，這與實驗觀察結果高度吻合。有限的P摻雜現象可以從材料科學基礎理論上得到解釋：由于原子尺寸的差異，P原子取代部分Pt原子必然會在周圍產生較大晶格畸變，導致系統內能增加，從而限制了P原子的取代上限。

　　此外，研究還發現，磷化后的固溶體在蠕變條件下表現出固溶強化作用，這是由于溶質原子與位錯的彈性交互作用導致的。這種固溶強化作用使得固溶體在相同的蠕變速度下所需的外應力比純金屬大，從而提高了材料的力學性能。

　　P摻雜Pt形成的固溶體在電化學反應中具有潛在的應用價值，特別是在解決催化劑成本高和活性低等問題方面。置換式固溶體的成功制備為開發高性能催化劑提供了新的途徑。

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