置换式固溶体是指溶质原子占据溶剂晶格中的点阵节点形成的固溶体。由于金属和非金属在原子尺寸、晶体结构、电负性和成键方式等方面存在显著差异，通常形成的是间隙固溶体，而非置换式固溶体。因此，在材料科学和工程领域，金属-非金属置换式固溶体的研究对于优化和设计金属及其他合金的性能具有重要意义。
中国科学院过程工程研究所研究员杨军课题组用三正辛基膦 (TOP)对预先形成的铂 (Pt)纳米颗粒进行磷酸化，使得磷(P)原子能够取代处于晶体格点位置的部分Pt原子，形成Pt-P置换式固溶体。
研究团队首先在十八烯(octadecene)和油胺(oleylamine)混合溶剂中制备出虫子状的Pt纳米颗粒。随后，在高温条件下，使用TOP对这些纳米颗粒进行磷化处理。透射电子显微镜观察显示，磷化反应显著改变了颗粒的形貌，由原始的虫子状变为直径约为4.8纳米的完全球形置换式固溶体。
通过理论计算和多种表征手段，研究团队证实了Pt-P置换式固溶体的形成。理论计算表明，如果磷化后的固溶体能够维持稳定的面心立方结构，则P的掺杂上限约为10%，这与实验观察结果高度吻合。有限的P掺杂现象可以从材料科学基础理论上得到解释：由于原子尺寸的差异，P原子取代部分Pt原子必然会在周围产生较大晶格畸变，导致系统内能增加，从而限制了P原子的取代上限。
此外，研究还发现，磷化后的固溶体在蠕变条件下表现出固溶强化作用，这是由于溶质原子与位错的弹互作用导致的。这种固溶强化作用使得固溶体在相同的蠕变速度下所需的外应力比纯金属大，从而提高了材料的力学性能。
P掺杂Pt形成的固溶体在电化学反应中具有潜在的应用价值，特别是在解决催化剂成本高和活性低等问题方面。置换式固溶体的成功制备为开发高性能催化剂提供了新的途径。
相关研究成果Substitutional Platinum-Phosphorus Solid Solution by Phosphidation of Worm-Like Pt Nanoparticles Using Tri-n-octylphosphine于近日发表在国际期刊《Small》上。
