2014年02月19日08:54
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用兩種原本不應混合到一起的金屬來制造合金——日本京都大學的研究小組開發出了這種顛覆業界常識的全新制造技術。使用這種技術制造出來的合金有望替代昂貴的稀有元素以及很難利用的有害元素等。該技術“適用於多種金屬，應用范圍十分廣泛”（京都大學研究生院理學研究系化學專業教授北川宏），作為“現代煉金術”而備受關注。實際上，已有大型材料企業對該技術表現出了濃厚的興趣。這項技術有望成為資源匱乏的日本的救世主，除了研究資金以外，日本科學技術振興機構（JST）還為該技術的專利申請提供了支援。
根據電子顯微鏡結果繪制的Pd0.5Ru0.5納米粒子的元素映射圖（圖片來自於京都大學）
價格低、性能高
京都大學北川教授於2014年1月發布了新型合金制造技術的成果——鈀（Pd）釕（Ru）合金。北川利用掃描型電子顯微鏡証實，鈀和釕在原子水平上均勻地混合在了一起。
據京都大學介紹，鈀釕合金的化學特性與元素周期表中位於二者之間的銠（Rh）接近，可作為銠的替代品使用（圖1）。銠可以用作將家用燃料電池發電過程中產生的一氧化碳（CO）轉化為CO2的催化劑，以及從汽車尾氣中去除氮氧化物（NOx）的催化劑。此外還被用作珠寶首飾的白金上色材料、抑制金屬過敏的材料以及耐磨耗用電鍍材料。
圖1 用合金代替稀有元素和有害元素
京都大學等的研究小組打算通過基於兩種金屬元素的合金，來代替稀有元素及有害元素。2014年1月發表的成果是催化劑性能超過銠的鈀釕合金。此外，該大學還在致力於用銀錫合金代替鎘等有害元素的研究。
北川表示，“每克銠的價格高達約4000日元，而且隻存在於南非的部分地區，採購方面存在風險。而釕的價格約為每克200日元，鈀的價格約為每克2600日元。對於鈀和釕的含量為1:1的Pd0.5Ru0.5，通過簡單計算可知，合金價格約為每克1400日元，隻有銠的約1/3。”
北川還介紹說，新型合金作為催化劑使用時的性能也很好。此次京都大學驗証了利用新合金將CO轉化為CO2的效率，結果發現，與作為CO氧化催化劑發揮作用的釕、鈀、銠相比，鈀釕合金在更低的溫度下達到了同等程度的轉換率（圖2）。雖然可以調整鈀釕合金的成分比例，但Pd0.5Ru0.5就顯示出了最高的活性。雖然通常是使用釕作為CO的氧化催化劑，但京都大學認為，釕鈀合金的催化劑能力高於釕，因此有助於延長燃料電池組的壽命。
圖2 將CO轉化為CO2的效率很高
作為將CO轉化為CO2、從而減少CO的催化劑使用時，鈀釕合金的性能要高於釕及鈀。對於將CO轉化為CO2的效率進行比較發現，獲得相同的轉化效率時，鈀釕合金所需溫度比釕及銠低約40℃，比鈀低約60℃。（該圖由《日經電子》根據京都大學的資料繪制）
京都大學還驗証了新型合金用作去除NOx的催化劑時的特性，北川自信地說，“取得了很好的成果”。據說有汽車廠商對新合金非常感興趣。去除NOx的詳細成果今后將在學會上發表。
把兩種不相配的金屬“湊成一對兒”
北川稱，鈀和釕原本“是最合不來一對兒”，即便在高溫液體狀態下，也無法實現原子水平的混合。對此，京都大學採用了“Bottom-Up法”，通過還原含有金屬離子的溶液來制作納米級合金粒子。
此次使用由氯亞鈀酸鉀[K2(PdCl4)]和氯化釕（RuCl3）混合而成的水溶液，以及作為還原劑發揮作用的三乙二醇（C6H14O4），制成了鈀釕合金（圖3）。為了讓合金粒子保持在納米尺寸，還在還原劑中添加了聚乙烯?咯烷酮（PVP）。為了使水溶液中的金屬離子被高效還原，制造合金時向還原劑噴洒了上述水溶液。
圖3 使釕和鈀在原子水平上融合
在作為還元劑發揮作用的三乙二醇中混合PVP，向得到的溶液噴洒含有釕離子和鈀離子的溶液，以生成釕原子和鈀原子。這些原子聚在一起形成原子簇，原子簇集合起來形成鈀釕合金的納米粒子。添加PVP的目的是控制粒徑。（圖形由京都大學制作）
京都大學曾於2010年運用Bottom Up法制造出了特性類似於鈀的銠銀合金。北川表示，盡管“這是一項卓越的科學成果”，但因銠的價格昂貴，合金成本超過了鈀，因此“很難實現工業化”。雖未透露詳情，但北川表示，此次制造鈀釕合金時運用了當時積累的技術經驗。
現在，該大學還在嘗試制造多種合金。比如特性與鈷（Co）和鎳（Ni）相近的鐵銅（FeCu）合金、特性與鎘（Cd）及銦（In）相近的錫銀（SnAg）合金。（作者：根津禎，日經技術在線！供稿）
