铂族金属       (platinum group metal)

元素周期表第Ⅷ族第二元素组的钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)和第三元素组的钺(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)六元素的统称。与金、银一起称为贵金属。根据密度分为两组：锇、铱、铂的密度约22000kg／m³ ，为重铂族组；钌、铑、钯的密度约12000kg／m³ ，为轻铂族组。

简史      铂族金属发现年代较金、银晚得多，1748年发现铂，1802年发现钯，1803～1804年发现铱、锇、铑，1844年发现钌。从18世纪30年代开始至19世纪20年代发现的铂族金属资源主要有哥伦比亚的砂铂矿和脉矿。1819年在俄罗斯乌拉尔发现砂铂矿，含铂70％～80％，自开采累计到1920年约生产了220t铂，19世纪内产量居世界首位。1920年在苏联西伯利亚发现含铂族金属硫化铜镍共生矿床，1940年开始开采，以后便成为前苏联最大的铂族金属基地，90年代占其铂族金属总产量的90％。1986年苏联销往西方国家的铂为9020kg，约占这些国家进口总量的11％；钯为51632kg，约占55%。1888年在加拿大安大略省的萨德伯里地区发现含铂族金属硫化铜镍共生矿床，其后又发现马尼托巴的汤普森等矿区。20世纪20至50年代初期加拿大生产的铂族金属居世界首位。1986年加拿大销售铂4666kg、钯6220kg，分别占资本主义国家购34入量的5．3％和6．7％，其铂族金属生产量居世界第3位。1924年在南非德兰斯瓦发现铂矿。1986年南非供应世界市场73t，铂，31．7t钯，分别占该年世界供应量的83％和34％。1936年在美国蒙大拿州发现斯替尔瓦特(Stillwater)矿床，1987年开始开采，铂族金属含量13～22g／t，铂：钯=1：3．5。

中国古代没有使用铂族金属的记载，历史上曾在加工砂金时发现过硬度高、难熔化的物质，工匠称之为“金刺”、“毒银”，实为密度很大的自然铂或铱、锇的天然矿物颗粒。1958年在中国西北部地区的金川发现含铂族金属硫化铜镍共生矿床，矿石中六个铂族金属俱全。1965年金川有色金属公司开始生产铂族金属，现已发展成中国矿产铂族金属提取冶炼中心，产出六个铂族金属及其化合物等产品。

1991年世界铂族金属产量超过262t，前苏联和南非的产量占90％以上，前苏联以产钯为主(占总铂族金属产量的60％～70％)，南非则以产铂为主(占60％)。其余产自加拿大、澳大利亚、美国、中国等。铑、铱、锇、钉的产量约为铂、钯总量的1／10。其中价格最贵的铑1991年产量为10．8-11．7t。

性质      铂族金属原子都含有较多的电子(超过44)和未充满的d电子层，由于d电子对原子核正电荷起着有效的屏蔽作用，所以外层电子基本不受原子序数增加的影响。特别是在4d和5d过渡金属之间，插进了4f 镧系元素，使铂族金属的原子、离子半径因镧系元素收缩而变得相近，因而它们的物理化学性质非常相似。在所有金属元素中，致密的铂族金属具有最好的抗氧化性和耐腐蚀性。它们在常见的单一无机酸和碱中基本呈惰性，但耐腐蚀程度有所不同，一般按照铱-钌-铑-锇-铂-钯的顺序减弱。当铂族金属为海绵状、粉状或处于高度分散状态时，耐腐蚀性能变差。

铂族金属由于形成强的金属键，熔点、沸点都高，升华热大，蒸气压低而难于挥发。锇熔点最高，为3327K；钯最低，为1825K。每个金属在其三元素组即重铂族组和轻铂族组金属中的沸点和熔点均随原子序数增加而降低。铂族金属都具有最紧密的晶体结构，除锇、钉为密集六方体外，其余四金属均为面心立方体，它们的密度都很大，其中铱为已知最重的金属，密度达到22420kg／m³  。各个铂族金属的机械加工性能相差很大，其中铂、钯有良好的延展性，可拉成细丝，轧成箔片，用途最广。铱、铑因杨氏模量大、硬化率高，加工比较困难；与铂、钯熔炼成合金后，可加工为多种材料，如坩埚、片材、丝材。其中铂铑合金是最重要的铂族金属材料，主要用于制造测温热电偶、编织催化网和生产高级光学玻璃的坩埚。钌的加工十分困难，锇几乎不能加工，但它们都可作为合金元素。纯铂族金属均为良导体，它们与铁磁性金属的铁、钴、镍虽同属一族，但磁化率都不高。铂族金属能吸附多种气体，吸附氢是多数铂族金属的特性。吸附气体的能力，一般随金属的分散程度和表面积增大而明显增加。

铂族金属的氧化还原性质取决于最外层电子的排布，其s和d层电子都能给出或参加成键，因而具有多种价态。周期表中纵向铂族金属的化学性质比横向更相似，如钌更类似于锇，铑更类似于铱，钯更类似于铂。重要的铂族金属化合物有氯化物、硫化物、氟化物、羰基化物、硒化物等。铂族金属配合物有着许多特殊性质，如一维导电性、光敏性、气敏性。

用途         铂族金属以纯金属、精密合金材料、化合物、催化剂、电子浆料等形式广泛用于航空、航天、航海、汽车、化学化工、石油、玻璃玻纤、电子电工、仪器仪表、能源、医药等现代工业和国民经济各部门，现有的许多应用领域还没有其他金属材料能够取代。大量铂族金属还用于首饰和硬通货储备。

催化活性是铂族金属最重要的性质。1823年德拜莱勒(J．W．Dobereiner)发现铂对乙醇和氢的氧化有催化作用，揭开了铂族金属的催化特性。由于铂族金属表面易于吸附反应物质，化学吸附的强度适中，形成中间的“活性化合物”，促使反应速度提高，在石油、化工、环境保护等领域中的加氢、去氢化、异构化、环化、氧化、裂解、脱羧、脱氨基等反应中用作催化剂，生产各种特殊用途的石油化工产品。全世界每年约生产6000万t 硝酸，几乎都是用铂铑、铂钯铑催化制得；用铂催化重整法几乎生产了全世界汽车和内燃机所需的全部高辛烷值汽油。含铂、铂钯、铂铑钯的催化剂可以净化汽油和柴油机排出的毒性尾气。特别是铂铑钯三元催化剂可使尾气中的CO加速氧化为CO₂ ，使碳氢化合物氧化为CO₂ 与H2O，同时使NO，还原为无毒的氮气。1991年用于汽车尾气催化剂的铂量达48．7t，钯11．5t，铑9．4～10．6t。由于铑对NO_x 具有特殊催化性能，在废气净化中的应用还在扩大。新能源燃料电池是一项近代的新技术，需用铂作催化电极。钯是最重要的牙科材料，在牙科合金中的应用占其总用量的1／3。铂的多种化合物具有抗癌作用，已制成药物用于I临床。高纯铂丝制成的电阻温度计及铂／铂铑₁₀ 热电偶分别是13．81～903．89K及903．89～1337．58K的测温基准及广泛温度范围的测温元件。利用铂族金属及其氧化物细粉的良好电学性能，可制成浆料用于微电子技术的厚膜电路。

资源和矿物        铂族金属在地壳中的含量极低而又分散，各个金属的地壳丰度为(0．1～1)×10^-6 ％，通常以微量组分存在于某些基性和超基性的火成岩中。铂族金属的矿物很多，世界上已发现约200种，在中国发现115种。

资源      铂族金属资源主要有砂铂矿、共生硫化矿、二次资源，前两种为铂族金属矿产资源，主要分布在南非、前苏联、美国以及津巴布韦、加拿大、中国、澳大利亚、哥伦比亚等国。主要生产国的储量列于表1。中国在甘肃、云南、新疆、四川、西藏、内蒙、河北、黑龙江等省区先后发现一些矿床和矿点，其中最重要的有金川含铂族金属镍铜共生硫化矿。

(1)砂铂矿。超基性纯橄榄岩体中的原生铂矿和铂铬矿长期风化剥蚀后形成砂铂矿。以含铂、铱、锇为主，常与砂金共生。砂铂矿容易开采和富集提取，是20世纪30年代前生产铂族金属的主要资源。主要产于哥伦比亚、俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚、埃塞俄比亚等地。这些矿的多数矿点已采竭，20世纪80年代从中生产的铂族金属量仅占总产量的1％～2％。

(2)共生硫化北主要是含铂族金属铜镍共生硫化矿。产于超基性岩或基性岩的共生硫化矿，属于多金属共生矿，共生有六个铂族金属，综合利用价值大，是铂族金属的主要资源。20世纪80年代98％的铂族金属产自这类矿床。世界各主要共生硫化矿矿床的矿石平均品位及各单一金属对贵金属总含量的比例列于表2。南非和美国的共生硫化矿石中铂族金属的品位高，其价值已超过镍、铜，也称为铂矿；其他国家则以生产镍、铜为主，副产铂族金属。在南非和中国这类资源中，铂多于钯(比例2：1)；而在美国、前苏联则钯多于铂(约2：1)。铑、铱、锇、钌合计量一般约为铂钯总量的l／10。其他多金属矿床如黄铁矿型铜矿床、矽卡岩铜矿床、热液型铜矿床、铜钴硫化物矿床、含铜黑色页岩、锡石-硫化物矿床、铀-硫化物矿床等，一般仅含微量的铂、钯。矿石中铂族金属含量一般小于0．1g／t，只能在主金属冶炼的中间产物中综合回收少量铂、钯。

      表2世界主要共生硫化矿床的矿石品位①及贵金属相对含量(质量分数w／％)

    产    地

元

    南  非

    加拿大

    前苏联

    美国

    中  国

 
素

  美伦斯基层
 

    UG一2层
 

    萨德贝里
 

    诺里尔斯克
 

斯替尔瓦特JM层
 

  金川二矿区
 

  品位

  比例

  品位

  比例

  品位

  比例

    品位

  比例

  品位

  比例

  品位

  比例

铂
钯
钌
铑
铱
锇
金

    4．5
    1．8
    O．6
    O．2
    O．07
    O．07
    O．24

    59
    25
    8
    3
    1
    O．8
    3．2

    4．2
    3．5
    1．2
    0．8
    O．23
 
    O．07

    42
    35
    12
    8
    2．3
 
    O．7

    O．36
    O．35
    O．02
    O．03
    0．08
 
 

    43
    42
    2
    3
    9
 
 

    2．3～2．6
    6．7～7．2
    O．2
    O．2
    O．6
 
 

    30
    60
    2
    2
    6
 
 

    5．6
    10．9
    1．1
    2．2
    O．7
 
    O．14

    19
    66．5
    4
    7．6
    2．4
 
    O．5

    0．28
    O．14
    O．008
    O．006
    0．01
    O．015
 

    60
    30
    1．7
    1．2
    2．7
    3．2
 

铜
镍

    O．11
    O．19

    1．6～1．9
    1．3

    O．06
    O．11

(3)二次资源。指在生产和使用含铂族金属的合金材料、电子元器件、催化剂的过程中产生的残废料，使用后报废的元器件、废液等。它们在铂族金属的原料中占有越来越重要的地位。不少工业部门已建立铂族金属再生的回收加工体系，回收量越来越大。

矿物        原生铂矿、铂铬矿和砂铂矿中常见的矿物有自然金属和金属问化合物，如自然铂、粗铂矿(含铁6％～11％的铂铁合金)、铁铂矿(含铁超过12％)、锇铱矿和铱锇矿。这些矿物的密度大(14000～21000kg／ms)、粒度粗(多为1～3mm)，易重选富集。在俄罗斯的乌拉尔铂矿中曾找到过9．61kg重的自然铂。

共生矿中常见硫、砷化合物，如硫铂矿PtS、硫钌矿RuS₂、硫锇钌矿(Ru，Os)S₂ 、硫砷铱矿IrAsS、硫镍钯铂矿(Pt，Pd，Ni)s、硫钯铂矿(Pt，Pd)S₂ 、砷铂矿PtAs₂ 、砷钯矿Pd₅As₂；锑、碲、铋化合物，如六方锑钯矿PdSb、碲钯矿PdTe、铋碲铂矿Pt(TeBi)₂ 、等轴碲铋钯矿PdTeBi等。这些矿物密度小(约10000kg／m³ )、粒度细(小于0．5mm)，常与黄铜矿、磁黄铁矿、镍黄铁矿等重有色金属硫化物紧密联生或被后者包裹，很难分离。矿石中少量铂、钯还以类质同相存在于重金属硫化矿物中。

提取冶金       铂族金属的提取冶金一般包括铂族金属富集、铂族金属分离和铂族金属精炼三个阶段，这是一个很长而且复杂的工艺过程，原则流程如图。以铂族金属为基的合金废料等二次资源的铂族金属再生则一般需经过分离和精炼两个阶段。

铂族金属富集      从原矿或原料中经提取和富集产出铂族金属精矿的过程。砂铂矿中铂族金属矿物粒度粗、密度大，主要用重选方法提取铂族金属精矿。含铂族金属铜镍共生硫化矿含铂族金属量极低，如最富的南非吕斯腾堡铂矿石，铂族金属和金的总含量也只百万分之四，提取出40％以上品位的铂族金属精矿需用选矿、火法熔炼和吹炼、湿法分离和精炼等各种方法组成的复杂工艺过程，使其富集10万倍。

铂族金属分离     用化学冶金方法使铂族金属精矿溶解及利用水溶液中各金属价态和所生成配合物性质差异相互分离为粗金属、混合溶液或盐类中间产物的过程(以前划归为铂族金属精炼过程)。传统的方法是进行分组选择性溶解，分别将溶液中的金属离子还原成金属或生成特定的配合物沉淀而得以分离。20世纪80年代，发展了铂族金属溶剂萃取分离新工艺相继在南非及英国的精炼厂用于工业生产。这种工艺主要采用溶剂萃取法，并配合蒸馏和沉淀分别分离出金、钯、锇、钌、铂、铱、铑等粗金属或溶液。

铂族金属精炼      用化学法使各个粗金属、混合溶液、盐类中间产物或二次资源废料中的贵贱金属杂质得到进一步的分离，提纯产出符合标准或满足用户需要的海绵状、粉状或锭状的纯金属、高纯金属或化合物等产品的过程。

展望      全世界铂族金属资源丰富，但到21世纪初相对集中在少数国家的格局不会改变。铂族金属作为一类重要的工业新金属其应用领域仍在不断开拓和扩大。铂族金属提取冶金的发展方向是：(1)采用强化贵、贱金属分离技术，简化生产流程，提高铂族金属回收率；(2)完善溶剂萃取分离技术，开发先进高效的精炼工艺；(3)建立和完善二次资源的再生回收系统，开发对各类不同品位和成分的二次资源回收工艺，提高再生金属的回收率。