鋨（Os）通常在六邊形 P63/mmc 空間群中結晶，每個 Os 原子與 12 個等效的 Os 原子鍵合，形成角、邊和面共享的 OsOs12 立方八面體的混合物（圖 1b 的插圖）。有 6 個較短 （2.68 Å） 和六個較長 （2.75 Å） 的 Os-Os 鍵長。此外，Os 的全電子配置為1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f14 5d⁶ 6s²（圖 1c）。大原子量、獨特的晶體結構和重疊的電子層導致 Os 在所有金屬元素中密度最高 （22.59 g/cm³），并且幾乎是所有 PGM 中 Os 的最大硬度和熔點 （3045 °C）。因此，Os 及其合金可用于鋼筆筆尖、儀器樞軸、電觸點以及指紋和 DNA 檢測，以實現這些獨特的功能。重要的是，從電子結構的角度來看（圖 1d），Os 的帶隙為 0.00 eV，狀態密度和 d 帶結構都與 Ru 相似。作為地球上最稀有的元素之一，鋨的全球年產量不足1噸，卻憑借高熔點、超高硬度及催化活性，正在催化劑、醫藥、合金添加劑等領域大放異彩。本文將從實際應用場景出發，帶您深入了解鋨的非凡價值。

圖 1  （a） 鋨在元素周期表中的位置。（b） 各種貴金屬的價格來自 2023年9月的巴斯夫公司網站。插圖：鋨的晶體結構。（c） 鋨的全電子構型（d） 鋨的電子結構

一、催化劑領域：高效反應的加速器

鋨在催化領域的應用歷史悠久，尤其在合成氨和析氫反應中表現突出。

1、合成氨

20世紀初，德國化學家弗里茨·哈伯發明了合成氨的工藝，由此開啟了化學肥料的新紀元。由于氫氣和氮氣作為反應物都是氣體，它們需要附著在金屬催化劑表面才可以有效地進行反應。因此，優化合成氨工藝的另一個關鍵是找到合適的金屬催化劑。1909年，基于哈伯法，德國巴斯夫公司的卡爾·博施發現Os（元素鋨）對合成氨的高效催化。1909年7月，哈伯領導的研究小組首次用金屬鋨粉末催化劑，將氮氣與氫氣在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成，反應器出口得到6％的氨，并于卡爾斯魯厄大學建立一個每小時80g合成氨的試驗裝置。

2、析氫反應HER

2023年，武漢理工大學木士春教授團隊就鋨基催化劑在HER方向應用情況進行了研究，對基于 Os的 HER 催化劑進行改性的三種主要策略，包括陰離子調制、異質結構構建和載體工程，結論表明改性的Os基催化劑可以顯著優化其對催化反應中間體的吸附能力，特別是對HER過程中的H*，從而極大地提高了催化活性和穩定性，具有取代Pt作為商業催化劑的巨大潛力。[1]．比如當鋨基催化劑縮小到納米顆粒、團簇甚至單原子，并與合適的載體混合時候，能有效提高催化劑活性和穩定性。由此產生的耦合效應、量子尺寸效應和可調配位環境將充分優化催化劑的電子結構，從而大大提高其催化活性。此外，載體工程的最大優勢是可以實現活性位點的高效利用，特別是對貴金屬，可以控制最終工業應用的成本。例如，最近的研究發現，限制在二維MoN上的Os納米團簇可以有效地優化表面電子構型，從而提高催化劑的HER性能。在堿性、酸性和中性條件下，其質量活性分別是商用Pt/C的10倍、7倍和9倍以上。進一步研究表明，Os和MoN之間的強電子相互作用有利于調節表面微環境，從而加速水的緩慢解離，促進氫的吸附。

圖 2 （a） MoN-Os的XRD圖譜。（b） MoN-5% Os的HAADF-STEM。插圖顯示了納米團簇尺寸分布和平均尺寸。（c） MoN-Os 和 Pt/C 在 10 mA cm-2 時的過電位 （d） Os/C、Os/CN、Os/CS 和 Os/CNS 的 XRD 圖譜。（e） Os/CNS 的像差校正 HAADF-STEM 圖像。（f） 從不同 Os SAC 的實驗中獲得的氧化態和過電位之間的關系

盡管鋨的催化效果顯著，但由于鋨在地殼中的含量極低，資源稀缺，難以滿足大規模工業需求，同時在催化反應中，鋨的化學性質不夠穩定，容易發生變化等原因，局限了鋨在催化領域的規模應用。

二、合金添加劑：打造“堅不可摧”的材料

鋨（Os）與其他金屬的合金化堪稱“強強聯合”。鋨合金憑借超高硬度、耐磨性、耐腐蝕性及化學穩定性，在多個尖端領域成為不可替代的“材料王者”。     

表 1 主流鋨合金類型及應用場景

用鋨同一定量的銥可制成鋨銥合金，鋨銥合金常用于高磨損應用，比如鋼筆尖、圓珠筆尖；鋨銥合金還可做鐘表和重要儀器的軸承，比如瑞士高端手表品牌勞力士、百達翡麗采用鋨銥合金制作擺輪軸承，使機械表壽命延長至50年以上。可承受長期摩擦而不變形。在航空航天領域，鋨合金用作發動機噴嘴時，SpaceX曾測試相關材料，證明鋨銥合金耐受3000℃高溫燃氣沖刷，確保火箭發動機重復使用。此外鋨鎢合金制造的陀螺儀軸承在真空環境下展現零磨損特性，保障衛星姿態控制系統10萬小時無故障運行。而在醫療領域，心臟起搏器電極的鋨銥合金觸點，將設備使用壽命延長至15年以上，極化阻抗降低60%。從拯救生命的手術臺到探索宇宙的航天器，鋨合金以“隱形守護者”的身份推動著人類科技的邊界。隨著材料科學的進步，鋨合金或將在量子計算器件、深海探測裝備等新興領域開辟更廣闊的舞臺。

表 2 鋨銥合金與其他合金性能對比

三、醫藥領域：潛力無限的“未來之星”

盡管鋨在醫藥領域的應用尚處于探索階段，但其在抗癌藥物研發和醫療設備材料中已展現潛力。

早在2016年，來自華威大學的研究人員首次發現癌細胞可以被一種有機金屬化合物從內部殺傷。來自化學系的Peter.J.Sadler及其研究團隊發現有機鋨化合物FY26能夠靶向攻擊癌細胞的弱點來殺傷癌細胞。這是首次發現基于鋨的化合物可以治療疾病，其活性是現有抗癌藥物順鉑的50倍。[2]．這推動了鋨在醫藥領域的研究和發展。

圖 3 鋨化合物靶向攻擊癌細胞示意圖

發展到2023年，已知三陰性乳腺癌是最具侵襲性的乳腺癌亞型，對傳統的放療、化療都具有很強的治療抵抗性，亟待開發新的治療模式。X射線誘導的光動力療法，以X射線作為激發源，具有很強的穿透能力，并具有放療和光動力療法的聯合優勢，在癌癥治療中具有很強的潛力。因此中山大學孫逸仙紀念醫院放射科沈君主任團隊基于設計一種X射線和光雙重敏感的鋨基金屬有機籠（MOC-43），研究發現這種含有多個鋨原子的金屬有機籠可以作為雙敏化X光光動力治療試劑，同時進行放射敏化和光敏化，并高效產生單線態氧；同時，其近紅外發光性質為生物成像提供了保障。此外，籠內空腔和窗口使得金屬-有機籠具有藥物遞送的特性，一個分子籠內可以明確裝載至少八個以上香豆素化療藥物，并可以通過主客體運輸實現濃縮和釋放低水溶性香豆素的策略。利用膠束方法組裝出穩定性高、長期系統毒性低、在溶酶體中靶向定位的納米藥物，在三陰性乳腺癌的綜合診療和抑制小鼠腫瘤生長方面具有很高的性能。[3]．

金屬有機籠是一種高度自組裝的離散納米結構，具有可溶性、良好的分散性、合適的內部空腔以及多種金屬/有機成分，近年來在各種生物應用中受到了廣泛關注。金屬有機籠獨特的結構特征和主客體化學特性賦予了其多種仿生特性和功能。首先，在分子籠的結構設計中，通過合理選擇金屬中心和有機配體，可以控制其特定功能和生物醫學性能。其次，其籠內空腔可以封裝小分子，實現藥物輸送。第三，發光金屬有機籠便于生物成像。基于鋨基金屬配體組裝得到的金屬有機籠由于其動力學惰性、良好的穩定性、優異的近紅外發射性質，以及鋨元素高原子序數特性所帶來的潛在X射線誘導的光動力療法性能。

圖 4 鋨基金屬有機籠的合成及主客體研究

基于鋨基金屬籠得到的水溶性納米藥物具備三種功能: (1) 能對三陰性乳腺癌進行放療、化療和X射線誘導光動力療法的多模式協同治療，(2) 能用于腫瘤近紅外成像實時監測，(3)能基于主客體策略輸送疏水性抗癌藥物。體外/體內結果顯示MOC-43具有良好的抗腫瘤效果，為金屬有機籠用于癌癥成像與治療提供了科學依據。

四、未來應用的星辰大海

鋨應用的領域非常廣闊，其表現可圈可點。核工業中，鋨襯里的高溫氣冷堆燃料元件包殼在1000℃氦氣環境中保持結構完整，中子吸收截面比鋯合金低3個數量級。新興量子技術領域，鋨酸鋰單晶作為拓撲絕緣體基底材料，在4K低溫下呈現量子霍爾效應，為量子計算提供新載體。生物醫學方面，鋨配合物作為光動力治療劑，在650nm激光激發下產生活性氧物種的效率比傳統卟啉類物質提高8倍。

根據目前的研究，納米結構鋨催化劑在質子交換膜燃料電池中展現突破性進展，氧還原反應質量活性達到25A/mg@0.9V，超越鉑基催化劑5倍。3D打印技術突破使鋨金屬成型成為可能，采用選擇性激光熔融工藝制造的微格結構材料，壓縮強度達到3GPa而密度僅為實體鋨的20%。

在聚變堆第一壁材料研發中，鋨鎢碳化物的抗等離子體濺射性能比純鎢提升兩個數量級，穩態熱負荷承受能力達20MW/m²。超導材料領域，鋨摻雜的鎂硼超導體在40K溫區實現臨界電流密度10^5 A/cm²，為強磁場應用開辟新可能。

站在材料科技的前沿回望，鋨金屬的應用歷程恰似人類探索微觀世界的縮影。從19世紀的鐘表軸承到21世紀的量子器件，這種宇宙級的致密金屬持續突破應用邊界。隨著納米工程、量子調控等技術的進步，鋨金屬或將引領新一代超硬材料、量子器件的革命，在星辰大海的征途上鐫刻下獨特的元素印記。

參考文獻

[1]．Ding Chen, Shichun Mu,Revitalizing osmium-based catalysts for energy conversion,Energy Reviews,Volume 2, Issue 4,2023

[2]．Sanchez-Cano, Romero-Canelón, Yang Y. et al. Synchrotron X-Ray FluorescenceNanoprobe Reveals Target Sites for Organo-Osmium Complex in Human OvarianCancer Cells. chemistry. 2016 Dec 24

[3]．Ya-Ping Wang,Xiao-Hui Duan,Radio- and Photosensitizing Os(II)-Based Nanocage for Combined Radio-/Chemo-/X-ray-Induced Photodynamic Therapies, NIR Imaging, and Drug Delivery,ACS Applied Materials & Interfaces 2023 15 (37), 43479-43491