摘要：金剛石是工業應用中最有價值的材料之一，觸媒材料是合成人造金剛石過程中不可或缺的材料，其主要起降低合成溫度和壓力的作用。本文主要介紹觸媒及其制備方法和研究現狀，并對今后的主要研究方向進行展望。
　　關鍵詞：觸媒；研究現狀；金剛石
　　金剛石是一種超硬多功能材料，具有較高的硬度和熱導率，較寬的透光波段，耐輻射、耐強酸堿腐蝕等優異的物理化學特性，在電子器件、國防、通訊、航空航天等高科技領域有極大的應用潛能[1]。自美國通用電器公司（GE）在世界上首次通過靜高溫高壓法，利用金屬催化劑與石墨成功合成金剛石以來，金剛石工業化生產已有半個多世紀的歷史。人造金剛石的合成主要是以高溫高壓觸媒法為主[2-3]。觸 媒材料是高溫高壓觸媒法生產人造金剛石不可或缺的輔助材料。觸媒材料不僅可以降低石墨向金剛石轉化的溫度、壓力，而且對所生成的金剛石晶體的力學、電學和光學等性質有著重要影響[4-5]。VeReshehagi[6]和Sung[7]研究證明，觸媒在金剛石合成當中起著重要的作用。然而，由于金剛石巨大的商業價值，新型觸媒溶劑材料的開發和高品級金剛石的合成技術情報一直處于嚴格保密狀態。由于我國六面頂高壓設備存在極限壓力（＜6 GPa），一直制約著我國新型觸媒溶劑材料的開發。目前，我國金剛石單晶合成用觸媒溶劑材料仍局限于鐵、鎳、錳、鈷等傳統過渡族金屬合金。長期以來，具有高利潤的高端特種金剛石單晶產品一直被英、美、日等國壟斷。因此，獨立地開發新型觸媒溶劑材料具有重要的戰略意義。

　　1? 觸媒
　　1.1? 觸媒的作用
　　觸媒是指在高溫高壓環境中，石墨向金剛石轉變時，起降低金剛石的相變活化能和合成溫度的作用的材料。在沒有觸媒參與的情況下，石墨轉化為金剛石需要13 GPa的高壓和2700 ℃以上的高溫。加入觸媒后，可使金剛石合成的壓力和溫度分別降至5~6 GPa和1200~1400 ℃。
　　1.2? 觸媒的設計原則
　　人造金剛石是在高溫高壓條件下通過觸媒作用將碳元素的排序由石墨結構轉變成金剛石結構，因此，觸媒對金剛石的合成壓力、溫度、抗壓強度、結晶形態、顏色、產率等都有較大的影響[8]。研究表明，金屬觸媒的選擇應遵循以下四個原則[9]。
　　（1）結構對應原則：催化劑晶體的密集面或熔融后密集面的原子排列與金剛石結構的（111）面上的碳原子排列相同或接近；
　?。?）定向成鍵原則：催化劑的密集面上的原子能使石墨層上的碳原子與它成鍵，且該鍵垂直于石墨六角狀平面；
　?。?）低熔點原則：催化劑的熔點要盡可能的低。
　　（4）易熔碳，與碳的潤濕性好。

　　2? 觸媒的制備方法
　　當前市場上的粉末觸媒主要是通過快速凝固霧化方法制備的，包括惰性氣體霧化和高壓水霧化方法。
　　2.1? 惰性氣體霧化
　　惰性氣體霧化[10-12]是一種制備高性能金屬的重要方法，在粉狀觸媒的生產中，特別是合成高品級金剛石用粉狀觸媒的生產中具有廣泛的應用。氣霧化技術的原理是：通過霧化噴嘴產生的高速、高壓氣流將金屬熔體粉碎成細小的滴液，并經過球化、冷卻和凝固成金屬粉體。惰性氣體霧化具有所得觸媒粉末球形度高、含氧量低、對環境污染小、具有快速冷凝組織結構和成本低等優點。缺點是霧化成本較高，惰性氣體需建設回收裝置。
　　2.2? 高壓水霧化
　　高壓水霧化[13-14]是利用高壓水作為霧化介質直接擊碎液體金屬或合金而制得金屬粉末的方法。高壓水霧化所需的設備投資少，成本低，雖然所得觸媒合金粉末的氧含量較高，但可通過霧化工藝控制及后續還原處理來降低氧含量。水霧化所得觸媒合成的金剛石品質與用氣霧化觸媒合金粉末合成金剛石觸媒的研究現狀的金剛石相當，因此水霧化法正逐步替代氣霧化法成為合成觸媒合金粉末的主流方法[15-16]。
　　2.3? 其他方法
　　除了已得到廣泛運用的霧化方法外，制備觸媒的方法還有：羥基法、化學共沉淀法、機械合金法等。羥基法和化學共沉淀法制得粉末粒度較細、雜質少，但氧含量高，生產成本高；機械合金法生產效率低。目前這些方法在國內尚處于發展階段。

　　3? 觸媒研究現狀
　　自GE公司首次合成人造金剛石以來，材料工作者在觸媒領域進行了大量卓有成效的研究，許多金屬元素（如Fe、Ni、Co、Pt、Ru、Pd、Ir、Os、Ta、Mn、Cr、Mg、Cu、Ge和Zn等）均被證明具有催化作用[17]。近年來，國內外對于觸媒的研究主要集中在鐵基、鎳基觸媒。Davidenko等[18]發現富勒烯（C60）作為協同觸媒有助于降低合成壓力和溫度，提高單產；Liang 等[19]發現向Fe-Ni觸媒中加入NaN3會導致石墨向金剛石轉化的最低溫度和壓力升高，V型區上移；文潮等[20]利用納米石墨和鐵粉在900~1300 K的溫度條件下合成了人造金剛石，Choi等[21]向Ni基觸媒中加入SiC發現有助于金剛石的形核。
　　在金剛石觸媒中添加一些微量元素也是研究的重點之一。趙文東等[22]在FeNi30粉末觸媒中添加稀土，發現添加稀土后，合成金剛石混合單產、粗粒度比例、靜壓強度、沖擊韌性值均有不同程度的提高，晶面完整率有所改進，磁化率下降。周振翔等[23]通過在NiMnCo觸媒中添加Zn以合成金剛石，發現隨著Zn添加量的增加，晶體顏色逐漸變淺，晶體的透光性增強，拉曼光譜測試結果表明Zn的添加有利于晶體結晶度的提高。臧傳義等[24]發現在觸媒中添加適當體積分數的Cu將會降低碳源在觸媒中的運輸，對抑制自發生長起到一定的作用。然而，并非所有的元素都對金剛石的合成有益。周林等[25]在鐵鎳觸媒中添加硫元素，合成的金剛石﹛110﹜面有熔坑出現，表明硫元素不利于金剛石品質的提高。
　　硼（B）是一種重要的雜質元素，對金剛石的電學、熱學和力學性能都有重要的影響。肖宏宇等[26]用B粉摻雜觸媒，合成的金剛石的電阻率和霍爾遷移率隨著B含量的增加而下降，原因在B元素的增加使晶體的缺陷增多，載流子散射加強。李木森等[27-28]在鐵基觸媒原材料中添加六方氮化硼，采用粉末冶金方法制備片狀觸媒，發現六方氮化硼有利于金剛石的粒度增粗，凈化金剛石晶體，減少雜質與包裹體的數量，提高晶體的靜壓強度和沖擊韌性。Sun等[29]在Fe70Ni30合金添加h-BN作為人造金剛石觸媒，發現h-BN對金剛石的晶格結構有很大的影響。Yan等[30]發現含h-BN的Fe70Ni30合金觸媒可促進｛111｝面晶面的生長，但生長機理還有待進一步研究。
　　一些無機鹽類（如CaCO3、MgCO3、Na2CO3、MgSO4、Na2SO4、Na3PO4、Ca(OH)2）被證實同樣也具有催化作用，但其合成金剛石所需的溫度和壓力比使用金屬觸媒來的高。在7.7 GPa的較高壓力下，石墨-碳酸鹽（Ca、Mg、Li、Sr等的碳酸鹽）、石墨-Ca(OH)2和石墨-MgSO4系統合成金剛石下限溫度是2000 ℃，石墨-磷系統的下限溫度是1800℃，石墨-Na2SO4和石墨Na2CO3系統為1700℃，因此無機鹽類觸媒難以在金剛石工業中得到廣泛的推廣和應用。但采用某些無機鹽類合成的金剛石的表面特征與天然金剛石是一致的，研究無機鹽類的催化機理將有助于我們進一步理解天然金剛石的形成。

　　4? 展望
　　觸媒材料的選擇不僅影響合成工藝（溫度、壓力和時間），同時對金剛石晶體的形態、色澤、混合單產及其他的物理性能有著很大的影響。從已有的文獻看，觸媒的發展趨勢有以下幾點：
　?。?）研制能夠有效降低金剛石合成溫度和壓力、穩定性、工藝性和低成本的具有新型觸媒配方。
　　（2）在現有觸媒配方的基礎上，進一步優化觸媒各元素的配比，提高觸媒的催化性能。
　　（3）進一步研究觸媒中添加的微量元素與金剛石顏色的關系以及微量元素對金剛石性能的影響，達到可以控制和調整金剛石顏色和性能的目的。
　　（4）開發適合不同品種金剛石生長需要的系列化專用觸媒材料，例如：適合硬脆材料加工用的自銳性金剛石合成用粉末觸媒；細顆粒優質高產金剛石合成用觸媒；優質高強粗顆粒金剛石合成用觸媒；有半導體特性金剛石合成用觸媒以及寶石級人造鉆石合成用觸媒等。
　?。ū疚恼涀浴赌チ夏ゾ咄ㄓ崱?016年第四期，全文見雜志。）