钯(元素符号 Pd,英文 Palladium),属铂族金属,是全球范围内公认的最稀有贵金属之一。外观为银白色金属光泽且永不褪色,兼具耐高温、耐腐蚀、耐磨损及良好延展性。在材质价值上,钯金在纯度、稀有度、耐久度上可与铂金相互替代,是高端首饰(尤其镶嵌宝石)的理想材质;在市场定位上,钯金与铂金、黄金、银同为国际贵金属现货、期货的交易品种之一且历史上曾一度比铂金价格还高。此外,钯金还是多功能催化剂,应用广泛:石油化工中用于精炼与合成,医疗领域可制作器械、研发药物,汽车领域则是汽油车三元催化器核心成分,能减少尾气污染。
物理性质
元素标识:化学符号 Pd,呈现典型金属特征。
色泽质地:金属光泽外观,与铂金相似。
密度表现:密度为12.02 g/cm3,仅为铂金密度的约56%,佩戴时具有明显的轻便优势。(铂金密度为 21.45 g/cm3)
硬度区间:莫氏硬度4~4.5,比铂金稍硬。
延展性:有良好的延展性和可塑性,能锻造、压延和拉丝。
熔点:1554.9℃,钯的熔点是铂族金属中最低的。
沸点:2970℃。
储氢特性:块体金属状态能大量吸收氢气(常温下 1 体积海绵钯可吸收 900 体积氢气),且加热至 40~50℃时氢气可大量释放,这一特性使其成为气体反应(如氢化、脱氢)的高效催化剂。
化学性质
酸碱性:可溶于王水和熔融碱性物质中,不溶于有机酸。
氧化特性:常温下化学性质稳定,不易氧化失光。当温度达到400 ℃左右时表面开始生成氧化物,加热至800 ℃时表面会形成一氧化钯薄膜。
络合性能:能与多种配体形成稳定的络合物,例如钯与氰化物可形成钯氰络离子,这一特性在钯金的湿法冶金提取、电镀工艺中具有重要应用,可实现钯金的高效分离与沉积。
电化学特性:在电化学领域可作为电极材料用于一些电化学传感器、燃料电池等装置中。
催化活性:是优良的催化剂,在氢化、脱氢、氧化等化学反应中表现出高效催化性能,例如在汽车尾气净化中,能加速一氧化碳、碳氢化合物等有害气体的转化,这与其化学结构对反应分子的吸附-活化机制密切相关。
化学稳定性:钯金在常温潮湿空气中长期稳定,这一特性使其首饰日常佩戴时不易因环境发生化学变化,能长久保持色泽与质感。
生物化学兼容性:具有良好的生物化学兼容性,除在牙科、医疗器械领域的应用外,在生物传感、药物载体等生物医学研究领域也展现出潜力,不会轻易与生物体内的物质发生有害化学反应。
资源与分布
1803年,英国化学家沃拉斯顿在对铂矿的研究中发现了钯元素。他将天然铂矿溶解于王水中,经除酸处理后滴加氰化汞(Hg (CN)2)溶液,得到黄色沉淀。随后,他将硫磺、硼砂与该沉淀物共同加热,最终获得了光亮的金属颗粒。沃拉斯顿以1802年新发现的太阳小行星PalaAthena(为纪念古希腊智慧女神雅典娜而命名)为灵感,将这种新元素命名为Palladium,元素符号定为Pd。
钯金在地壳中的储量极为稀少,含量约为1.5×10-6%。全球钯金年产量不足黄金年产量的8%。据美国地质调查局统计,全球已经探明的钯储量约为217吨,主要分布在俄罗斯、南非、加拿大和美国等地,例如南非的Bushveld 杂岩体,俄罗斯的Noril’sk矿床和美国的Stillwater矿床。全球铂族元素储量九成来自南非地区,俄罗斯和加拿大的储量相对很少。
著名的南非Bushveld杂岩体是全球已知的规模最大的铂族元素矿床,提供了占全球约90%的铂族元素储量。30多个铂族元素矿床沿着镁铁质-超镁铁质层状岩套断续分布,主要赋存在UG2铬铁岩矿层、Meren-skyreef矿层(MR) 和 Platreef接触带(PR)3个Cu-Ni-PGE层位。铂族元素平均品位约为5.4×10-6,其中 Meren-skyreef矿层的铂族元素资源储量为63000吨,铂平均品位为 3.6×10-6,钯为1.8×10-6。
随着钯金在汽车、电子等领域的广泛应用,回收渠道逐渐成为其重要来源之一。大量报废的汽车三元催化器、电子元件等产品中含有钯金,通过专业的回收工艺,可对这些废弃品中的钯金进行提取和再利用,实现资源的循环,在一定程度上缓解钯金矿产资源供应的压力。
分类
近年来钯金被制作为首饰(以往都是在铂首饰中作为掺合物),是贵金属首饰家族中又一个新成员。目前市面上流行的钯首饰主要有Pd950和Pd990。国际上钯金饰品的戳记是“Pd”(也可标志为“PD”)或 “Palladium”字样,并以纯度千分数字代表成色。同时,标准规定钯金属首饰的质量要保留两位小数,单件质量在100 g以内的饰品其质量负偏差不得大于0.01 g。钯金饰品的规格标志有Pd990、Pd950、Pd900、Pd850:
Pd990:要求钯的含量不得低于990 ‰,可标志为Pd990或钯990,纯度极高,质地相对较软,适合制作简约大方的首饰或投资型钯金产品。
Pd950:要求钯的含量不得低于 950 ‰,可标志为 Pd950或钯950,是首饰制作中较为常见的纯度等级,能较好地平衡硬度与延展性,适合制作各种款式的首饰。Pd850:要求钯的含量不得低于850 ‰,可标志为Pd850或钯850,含钯量不低于750 ‰和500 ‰的钯首饰主要用于镶嵌,能为宝石提供稳固的镶嵌基础。
应用领域
珠宝首饰领域
钯金化学性质稳定,耐酸腐蚀且纯度极高,对肌肤友好,是制作首饰和装饰艺术品的优质材质。其制成的首饰拥有与铂金媲美的自然银白色迷人光彩,且经久耐磨、历久如新。钯金首饰会带有包含生产厂家代码、贵金属材质与纯度的印记,如 “Pd950”“Pd990” 等,方便消费者识别。
汽车工业领域
钯金是汽油车三元催化器的核心材料,能高效催化尾气中的一氧化碳、碳氢化合物等有害气体,转化为二氧化碳和水,对降低汽车尾气污染、改善空气质量意义重大。工业上通过将钯与铂、铑组成三元催化剂,喷涂在蜂窝堇青石陶瓷载体上,并负载活性氧化铝与氧化铈,利用铂族金属的高催化活性与稳定性,将有害污染物转化为无害物质(如 CO2、H2O、N2),显著降低汽车尾气排放。
化学应用领域
钯金在化学领域主要作为催化剂,氧化钯(PdO)和氢氧化钯(Pd (OH)2)是钯催化剂的重要来源,钯金双金属催化剂广泛应用于电催化、石油化工、精细化工等领域的氢化、脱氢、氧化等反应,如在石油裂解、合成氨、制药等过程中,能显著提高反应效率和产品纯度。PdAu双金属催化剂的制备方法主要有共沉淀法(将钯、金盐溶液与沉淀剂混合,共沉淀后焙烧还原)、浸渍法(将载体浸入钯金混合溶液,吸附后干燥、焙烧)、水热合成法(高温高压下使钯金前驱体在载体上结晶)、溶胶-凝胶法(钯金盐与凝胶前驱体形成溶胶,经干燥、焙烧得到)等,核心是通过控制条件使两种金属均匀分散并形成合金或复合结构,以提升催化性能。
电子应用领域
钯及其合金因硬度、延展性、热力学稳定性优于硬金,成为电子电镀与精饰电镀领域的首选代金材料,即使钯价高于黄金,仍在电子工业中广泛应用。常见的钯合金镀层包括 Pd2Ni、Pd2Co、Pd2Ag、Pd2Fe、Pd2Au等,其中钯钴合金用于电话、电脑、电池、SD 卡等电子部件的电镀,可提升抗磨损性;钯银合金、钯铜合金用于制作电话继电器触头,能提高触点硬度与强度,延缓硫化银腐蚀,延长使用寿命;纯钯触头曾因减少噪音、性能可靠的特点,应用于交流电路的电话继电器,目前可通过回收废旧电话提取再利用。
医疗领域
在牙科领域,钯凭借优良的延展性与化学惰性,常用于制作烤瓷牙或贵金属牙,兼具弹性好、强度高、耐腐蚀的优势,能满足牙科修复对材料性能的严苛要求。除牙科应用外,钯金还可用于部分医疗器械的制造,如一些高精度的医疗传感器等,利用其稳定性和生物相容性,确保医疗设备的安全有效。同时,在某些药物合成过程中,钯催化剂也发挥着重要作用,助力药物的高效生产。
鉴别
(一)看标志
钯金首饰上均刻有“Pd”标志,其后的数字表示钯金的千分含量,如“Pd950”表示钯金含量不低于950 ‰,“Pd990”表示钯金含量不低于990 ‰。这是消费者最直接的鉴别方式,根据国家标准,贵金属首饰只能以一种元素命名,钯金首饰不能被称作 “钯白金首饰”或“钯铂首饰” 等,其标志与铂金(“Pt”)、K白金(“18K”)有明显区分。
(二)掂质量
钯金的密度为12.023 g/cm3,稍大于白银(10.5 g/cm3),远小于铂金(21.45 g/cm3)。通过掂量质量,可明显地区别于相似的白色金属如不锈钢等,也能与铂金、白银形成区分,铂金手感明显更重,白银则相对较轻。
(三)看光泽
钯金呈银白色,色泽纯净柔和,与铂金颜色基本相同。
(四)电化学法
将样品置于浓度 25% 左右的盐酸中:由于白银、钯金会与盐酸发生氧化还原反应(白银生成 AgCl 沉淀并析出 H2,钯金缓慢生成 PdCl2并释放 H2),因此若样品表面起泡,说明样品是白银或钯金;而假钯金多为铁、镍等廉价金属镀钯/银,镀层被盐酸腐蚀后,内部活泼的铁/镍会与盐酸快速反应产氢,气泡会附着在接触的镊子(通常为铁/不锈钢材质)表面,因此若镊子上起泡,说明样品是假钯金。若改用银丝(避免镊子与酸反应干扰)、稀硝酸代替盐酸:利用钯金的化学稳定性(不与稀硝酸发生反应),而白银、假钯金基底金属(铁、镍等)会与稀硝酸剧烈反应产气泡,因此若样品无明显反应则为钯金;此方法中稀硝酸仅与非钯金金属作用,对钯金本身无腐蚀,属于低损伤的近无损鉴别法。
(五)化学反应
钯金能溶于王水(浓盐酸和浓硝酸按体积比 3:1 混合的溶液),而铂金在常温下不溶于王水,可利用这一化学性质差异进行鉴别。将少量王水滴在首饰上,若首饰溶解则可能是钯金,若不溶解则可能是铂金(但此方法会对首饰造成一定损伤,需谨慎使用)。
(六)专业仪器检测
可前往专业的珠宝检测机构,利用 X 射线荧光光谱仪(XRF)对钯金首饰进行成分分析,能精确检测出钯金的含量及是否含有其他杂质,这是最准确的鉴别方法,适用于对鉴别结果要求极高的情况。
钯含量检测
钯元素的常用检测方法主要包括重量法、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、X射线荧光光谱法(XRF)、原子荧光光谱法(AFS)等。
重量法:共有6个国家/行业标准采用了重量法进行钯含量测试。检测对象均为钯合金及含钯化合物,包括各种钯合金、1,2-双二苯基膦乙烷氣化钯、硫酸四氨钯、氯化钯、四氯钯酸钠等。上述标准均采用丁二酮肟(二甲基乙二醛肟)沉淀钯,通过称量沉淀的络合钯来计算钯含量。重量法的优点是精确度高,成本低,直接称量得分析结果,无需标准试样或基准物质进行比较,也不需要采购特殊的设备;缺点是分析时间长,通常需要10 h以上,此外,由于取样量小,对检测人员操作要求高,也会导致样品的相对误差增大。重量法适用于质量分数不小于4%,且其它杂质含量较低的含钯合金及含钯化合物。
原子吸收光谱法(AAS):AAS是一种常用的定量分析方法,适用于测定溶液中的钯含量。该方法基于样品中目标元素吸收特定波长的光线时的吸收现象。首先,通过气体燃烧、高温干燥等预处理步骤将样品转化为可测量的形式。然后,向样品中通入与目标元素波长相对应的光线,测量样品吸收的光强度,并与已知浓度的钯标准溶液进行比较来计算样品中钯的含量。
X射线荧光光谱法(XRF):当样品被激发源X射线管的初级射线所激发,会发射出样品中所含有的各种元素的特征X射线荧光光谱线。每条特征潜线的强度反映出发射谱线的元素含量,与被测样品中能发射该能量的荧光X射线的元素含量多少有直接联系。测量这些元素谱线的强度,使用工作标样作出的校正曲线进行相应的数据处理和计算,就可以得出被测样品中各种元素的含量。金俊等利用X射线荧光光谱仪测定了钯质量分数为45.0~99.9%之间的首饰钯合金的钯质量分数,相对候差小于0.3%。该方法最大的优势是可以进行无损检测,检测速度极快。
原子荧光光谱法(AFS):AFS是一种高灵敏度的分析方法,适用于分析液体和气体样品中的钯含量。该方法使用激发源激发样品中的原子,测量样品中发射的特定波长的荧光光强度来确定其中的元素含量。AFS具有高度选择性和极低的检测限,并且可以实现快速分析。
电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS):ICP-MS是一种高灵敏度的分析技术,适用于测定液体和固体样品中的钯含量。该方法将样品转化为带电粒子,然后使用质谱仪进行质量分析。ICP-MS具有广泛的检测范围和高分辨率,可以同时测定多个元素的含量。对于钯元素的检测,ICP-MS能够提供非常低的检测限和较高的准确性。
除了以上方法,还有其他常用的钯元素检测方法,包括电化学法、分光光度法等。选择合适的检测方法取决于样品性质、所需测定范围和检测精度等因素,并且常常需要校准标准品进行质量控制,确保测定结果的准确性和可靠性。
首饰保养
(一)避免化学腐蚀,远离漂白剂、洗涤剂等强腐蚀性或刺激性化学品,接触后需及时用清水冲洗并擦干,防止化学物质损伤钯金表层。
(二)注意存放与佩戴方式,不佩戴时单独收纳(建议用软布袋或首饰盒独立格),避免拉扯、挤压、碰撞;勿与黄金首饰同戴(易串色),勿与铂金首饰同戴(相互摩擦会磨损表面)。
(三)定期清洁维护,长期佩戴后可能出现暗沉发黑,建议定期清洁,用温和的中性洗涤剂 + 软毛刷轻刷,再用清水冲洗、软布擦干,可保持首饰光泽。
(四)划痕处理,钯金表面出现肉眼可见划痕时,需送至具备资质的珠宝店进行专业抛光修复,避免自行打磨造成二次损伤。