锇（Os）通常在六边形 P63/mmc 空间群中结晶，每个 Os 原子与 12 个等效的 Os 原子键合，形成角、边和面共享的 OsOs12 立方八面体的混合物（图 1b 的插图）。有 6 个较短 （2.68 Å） 和六个较长 （2.75 Å） 的 Os-Os 键长。此外，Os 的全电子配置为1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f14 5d⁶ 6s²（图 1c）。大原子量、独特的晶体结构和重叠的电子层导致 Os 在所有金属元素中密度最高 （22.59 g/cm³），并且几乎是所有 PGM 中 Os 的最大硬度和熔点 （3045 °C）。因此，Os 及其合金可用于钢笔笔尖、仪器枢轴、电触点以及指纹和 DNA 检测，以实现这些独特的功能。重要的是，从电子结构的角度来看（图 1d），Os 的带隙为 0.00 eV，状态密度和 d 带结构都与 Ru 相似。作为地球上最稀有的元素之一，锇的全球年产量不足1吨，却凭借高熔点、超高硬度及催化活性，正在催化剂、医药、合金添加剂等领域大放异彩。本文将从实际应用场景出发，带您深入了解锇的非凡价值。

图 1  （a） 锇在元素周期表中的位置。（b） 各种贵金属的价格来自 2023年9月的巴斯夫公司网站。插图：锇的晶体结构。（c） 锇的全电子构型（d） 锇的电子结构

一、催化剂领域：高效反应的加速器

锇在催化领域的应用历史悠久，尤其在合成氨和析氢反应中表现突出。

1、合成氨

20世纪初，德国化学家弗里茨·哈伯发明了合成氨的工艺，由此开启了化学肥料的新纪元。由于氢气和氮气作为反应物都是气体，它们需要附着在金属催化剂表面才可以有效地进行反应。因此，优化合成氨工艺的另一个关键是找到合适的金属催化剂。1909年，基于哈伯法，德国巴斯夫公司的卡尔·博施发现Os（元素锇）对合成氨的高效催化。1909年7月，哈伯领导的研究小组首次用金属锇粉末催化剂，将氮气与氢气在17.5～20MPa和500～600℃下直接合成，反应器出口得到6％的氨，并于卡尔斯鲁厄大学建立一个每小时80g合成氨的试验装置。

2、析氢反应HER

2023年，武汉理工大学木士春教授团队就锇基催化剂在HER方向应用情况进行了研究，对基于 Os的 HER 催化剂进行改性的三种主要策略，包括阴离子调制、异质结构构建和载体工程，结论表明改性的Os基催化剂可以显著优化其对催化反应中间体的吸附能力，特别是对HER过程中的H*，从而极大地提高了催化活性和稳定性，具有取代Pt作为商业催化剂的巨大潜力。[1]．比如当锇基催化剂缩小到纳米颗粒、团簇甚至单原子，并与合适的载体混合时候，能有效提高催化剂活性和稳定性。由此产生的耦合效应、量子尺寸效应和可调配位环境将充分优化催化剂的电子结构，从而大大提高其催化活性。此外，载体工程的最大优势是可以实现活性位点的高效利用，特别是对贵金属，可以控制最终工业应用的成本。例如，最近的研究发现，限制在二维MoN上的Os纳米团簇可以有效地优化表面电子构型，从而提高催化剂的HER性能。在碱性、酸性和中性条件下，其质量活性分别是商用Pt/C的10倍、7倍和9倍以上。进一步研究表明，Os和MoN之间的强电子相互作用有利于调节表面微环境，从而加速水的缓慢解离，促进氢的吸附。

图 2 （a） MoN-Os的XRD图谱。（b） MoN-5% Os的HAADF-STEM。插图显示了纳米团簇尺寸分布和平均尺寸。（c） MoN-Os 和 Pt/C 在 10 mA cm-2 时的过电位 （d） Os/C、Os/CN、Os/CS 和 Os/CNS 的 XRD 图谱。（e） Os/CNS 的像差校正 HAADF-STEM 图像。（f） 从不同 Os SAC 的实验中获得的氧化态和过电位之间的关系

尽管锇的催化效果显著，但由于锇在地壳中的含量极低，资源稀缺，难以满足大规模工业需求，同时在催化反应中，锇的化学性质不够稳定，容易发生变化等原因，局限了锇在催化领域的规模应用。

二、合金添加剂：打造“坚不可摧”的材料

锇（Os）与其他金属的合金化堪称“强强联合”。锇合金凭借超高硬度、耐磨性、耐腐蚀性及化学稳定性，在多个尖端领域成为不可替代的“材料王者”。     

表 1 主流锇合金类型及应用场景

用锇同一定量的铱可制成锇铱合金，锇铱合金常用于高磨损应用，比如钢笔尖、圆珠笔尖；锇铱合金还可做钟表和重要仪器的轴承，比如瑞士高端手表品牌劳力士、百达翡丽采用锇铱合金制作摆轮轴承，使机械表寿命延长至50年以上。可承受长期摩擦而不变形。在航空航天领域，锇合金用作发动机喷嘴时，SpaceX曾测试相关材料，证明锇铱合金耐受3000℃高温燃气冲刷，确保火箭发动机重复使用。此外锇钨合金制造的陀螺仪轴承在真空环境下展现零磨损特性，保障卫星姿态控制系统10万小时无故障运行。而在医疗领域，心脏起搏器电极的锇铱合金触点，将设备使用寿命延长至15年以上，极化阻抗降低60%。从拯救生命的手术台到探索宇宙的航天器，锇合金以“隐形守护者”的身份推动着人类科技的边界。随着材料科学的进步，锇合金或将在量子计算器件、深海探测装备等新兴领域开辟更广阔的舞台。

表 2 锇铱合金与其他合金性能对比

三、医药领域：潜力无限的“未来之星”

尽管锇在医药领域的应用尚处于探索阶段，但其在抗癌药物研发和医疗设备材料中已展现潜力。

早在2016年，来自华威大学的研究人员首次发现癌细胞可以被一种有机金属化合物从内部杀伤。来自化学系的Peter.J.Sadler及其研究团队发现有机锇化合物FY26能够靶向攻击癌细胞的弱点来杀伤癌细胞。这是首次发现基于锇的化合物可以治疗疾病，其活性是现有抗癌药物顺铂的50倍。[2]．这推动了锇在医药领域的研究和发展。

图 3 锇化合物靶向攻击癌细胞示意图

发展到2023年，已知三阴性乳腺癌是最具侵袭性的乳腺癌亚型，对传统的放疗、化疗都具有很强的治疗抵抗性，亟待开发新的治疗模式。X射线诱导的光动力疗法，以X射线作为激发源，具有很强的穿透能力，并具有放疗和光动力疗法的联合优势，在癌症治疗中具有很强的潜力。因此中山大学孙逸仙纪念医院放射科沈君主任团队基于设计一种X射线和光双重敏感的锇基金属有机笼（MOC-43），研究发现这种含有多个锇原子的金属有机笼可以作为双敏化X光光动力治疗试剂，同时进行放射敏化和光敏化，并高效产生单线态氧；同时，其近红外发光性质为生物成像提供了保障。此外，笼内空腔和窗口使得金属-有机笼具有药物递送的特性，一个分子笼内可以明确装载至少八个以上香豆素化疗药物，并可以通过主客体运输实现浓缩和释放低水溶性香豆素的策略。利用胶束方法组装出稳定性高、长期系统毒性低、在溶酶体中靶向定位的纳米药物，在三阴性乳腺癌的综合诊疗和抑制小鼠肿瘤生长方面具有很高的性能。[3]．

金属有机笼是一种高度自组装的离散纳米结构，具有可溶性、良好的分散性、合适的内部空腔以及多种金属/有机成分，近年来在各种生物应用中受到了广泛关注。金属有机笼独特的结构特征和主客体化学特性赋予了其多种仿生特性和功能。首先，在分子笼的结构设计中，通过合理选择金属中心和有机配体，可以控制其特定功能和生物医学性能。其次，其笼内空腔可以封装小分子，实现药物输送。第三，发光金属有机笼便于生物成像。基于锇基金属配体组装得到的金属有机笼由于其动力学惰性、良好的稳定性、优异的近红外发射性质，以及锇元素高原子序数特性所带来的潜在X射线诱导的光动力疗法性能。

图 4 锇基金属有机笼的合成及主客体研究

基于锇基金属笼得到的水溶性纳米药物具备三种功能: (1) 能对三阴性乳腺癌进行放疗、化疗和X射线诱导光动力疗法的多模式协同治疗，(2) 能用于肿瘤近红外成像实时监测，(3)能基于主客体策略输送疏水性抗癌药物。体外/体内结果显示MOC-43具有良好的抗肿瘤效果，为金属有机笼用于癌症成像与治疗提供了科学依据。

四、未来应用的星辰大海

锇应用的领域非常广阔，其表现可圈可点。核工业中，锇衬里的高温气冷堆燃料元件包壳在1000℃氦气环境中保持结构完整，中子吸收截面比锆合金低3个数量级。新兴量子技术领域，锇酸锂单晶作为拓扑绝缘体基底材料，在4K低温下呈现量子霍尔效应，为量子计算提供新载体。生物医学方面，锇配合物作为光动力治疗剂，在650nm激光激发下产生活性氧物种的效率比传统卟啉类物质提高8倍。

根据目前的研究，纳米结构锇催化剂在质子交换膜燃料电池中展现突破性进展，氧还原反应质量活性达到25A/mg@0.9V，超越铂基催化剂5倍。3D打印技术突破使锇金属成型成为可能，采用选择性激光熔融工艺制造的微格结构材料，压缩强度达到3GPa而密度仅为实体锇的20%。

在聚变堆第一壁材料研发中，锇钨碳化物的抗等离子体溅射性能比纯钨提升两个数量级，稳态热负荷承受能力达20MW/m²。超导材料领域，锇掺杂的镁硼超导体在40K温区实现临界电流密度10^5 A/cm²，为强磁场应用开辟新可能。

站在材料科技的前沿回望，锇金属的应用历程恰似人类探索微观世界的缩影。从19世纪的钟表轴承到21世纪的量子器件，这种宇宙级的致密金属持续突破应用边界。随着纳米工程、量子调控等技术的进步，锇金属或将引领新一代超硬材料、量子器件的革命，在星辰大海的征途上镌刻下独特的元素印记。

参考文献

[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