新技术可增加关键金属供应

智能手机、笔记本电脑、蓝牙音箱、电动汽车（EV）——这些技术已成为我们日常生活的一部分，但我们很少去思考支撑它们运行的金属元素。电子设备中的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）由硅制成，这些芯片负责处理计算任务。然而，还有其他同样重要的电路组件，例如硬盘驱动器和闪存。没有它们，我们将无法在浏览网页或执行高负荷任务时存储大量临时或长期数据。这些组件的原材料即所谓的战略性金属。

战略性金属之所以被称为“战略性”，主要基于两个原因：它们在现代工业中的关键作用，以及它们在丰度和地理分布上的不均衡性。这些因素使得它们备受追捧，但也导致缺乏重要自然矿藏的国家和地区更难获取。日益抬头的保护主义和贸易壁垒正在加剧供需失衡。随着这种失衡持续存在，价格波动预计也将持续。

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这些因素表明，世界为何需要更高效、更有效的战略性金属提取工艺。目前的提取方法通常涉及有毒化学品和苛刻的反应条件，不仅对环境不友好，而且由于溶剂使用量大，效率也较低。此外，由于分离技术落后，在提纯过程中会损失大量的战略性金属。

幸运的是，相关领域的科学研究正在积极解决这些问题，更好的方法有望很快满足市场需求和环境要求。

什么是战略性金属？

观察元素周期表（见图1），战略性金属包括锂等部分碱土金属、钴等部分第一行过渡金属，以及碲等部分p区金属。它们还包括第二和第三行过渡金属，涵盖铂族金属（PGM）——即铂、钯、铑、钌、铱和锇。战略性金属还包括部分镧系元素或稀土金属（REM），也称为稀土元素（REE），包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆和铽。

美国地质调查局（USGS）监测的范围更广，称为关键矿产，其中包括铝、铜、铁和镍等元素，但由于这些元素相对丰富且提纯工艺成熟，我们在分析中未将其纳入。

战略性金属不仅价值极高且分布不均，而且由于其物理性能优越，它们已取代了性能较差的金属。例如，钕等部分战略性金属具有极强的永磁特性，远超铁，这使其成为智能手机、计算机和云计算数据服务器中高性能存储设备的理想材料，从而成为数字时代不可或缺的组件。

值得注意的是，各国或地区所拥有的上述元素储量各不相同。USGS提供了这些自然资源的全球覆盖数据，并定期发布报告和更新。表1显示了基于USGS数据的各国或地区储量（以公吨为单位）热力图；请注意，USGS将铂族金属和镧系元素（稀土元素）分别作为两个整体进行报告，而锂、钴和碲则单独列出。正如预期的那样，碲的丰度极低，加拿大报告的储量仅为0.9千公吨，中国为3.1千公吨，美国为3.8千公吨，俄罗斯为5.8千公吨。相比之下，澳大利亚的锂储量为5700万公吨，中国的稀土元素储量为4400万公吨，美国的稀土元素储量为180万公吨。

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战略性金属的应用

战略性金属被广泛应用于众多技术和设备中，但它们具体是如何被整合的呢？主要有三大应用领域：

• 电池/储能：锂和钴因其电荷密度和阴极稳定性，被用于制造长寿命周期的电池。目前尚未发现其他元素能提供相同的性能。例如，低成本且广泛使用的铅酸电池和锌基电池虽然已商业化多年，但存在环境问题，且电荷保持能力和电池寿命较差。
• ‍磁体：数据中心需要磁性材料以在高温下保持性能，智能手机摄像头需要超精密磁致动器来实现图像稳定，而电动汽车电机则要求磁体在压力下保持强度。钕是全球商业化应用中最强的永磁金属之一；镝能够维持高温下的磁强度；而铽可用于增强其他组件的磁性能。镨等关键金属在某些情况下为钕提供了一种成本相对较低的替代方案。它们所涉及的典型存储组件包括用于高密度数据存储的硬盘驱动器、用于非易失性存储的磁性随机存取存储器（MRAM），以及用于扬声器和耳机的微型磁体。
• ‍催化：在用于催化的关键金属中，钌对于氨的生产至关重要，而铱则对绿色氢能生产（水电解）不可或缺。催化转化器被广泛用于减少汽车尾气中的各种有害气体，其中铂用于转化一氧化碳，铑用于还原氮氧化物，钯则可转化未燃烧的碳氢化合物。

改进关键金属的提取、分离与提纯

使用关键金属的行业因资源匮乏已面临严峻挑战。此外，设备在达到生命周期终点后，通常会被丢弃在垃圾填埋场。近期的工作重点在于回收这些设备，以提取关键金属并将其重新用于新设备中。虽然这在一定程度上已取得成功并应作为优先事项，但在关键金属生命周期的初期，即采矿、分离和提纯阶段，仍有其他方法可以提高提取率。

目前，从其他元素中提取关键金属的典型工艺有两种：湿法冶金和火法冶金，每种工艺都涵盖了多种具体流程。湿法冶金包括酸浸、碱浸、溶剂萃取和离子交换工艺。火法冶金包括高温熔炼和焙烧、煅烧以去除挥发性杂质，以及使用碳或氢的还原工艺。

这些方法中的每一种都存在环境风险，例如高能耗（通常通过燃烧化石燃料实现）以及有毒化学品的产生。然而，新的绿色技术有望克服这些挑战：

电池金属：锂和钴

针对锂和钴等电池关键金属的分离与提纯技术通常包括卤水蒸发与浓缩、选择性沉淀以及电解或氧化还原化学。近期，研究人员报道了一种新型试剂，能够以高效率从包括钠、镁和锌在内的一系列金属盐中选择性地结合氯化锂。沉淀法是一种低成本且可扩展的方法，它已成功用于分离钴与镍——只需简单加入碳酸盐，即可使生成的钴配合物沉淀析出，从而使镍留在溶液中。

铂族金属 (PGMs)

对于铂族元素和稀土元素，新技术包括分步结晶、溶剂萃取级联、离子色谱法和选择性沉淀。例如，一种铂配合物已通过一种名为葫芦[6]脲（cucurbit[6]uril）的有机添加剂与包括钯和铑在内的其他铂族金属分离开来，该添加剂能选择性地与铂物种结合并将其从溶液中沉淀出来。

特种金属：金和碲

提纯金矿石是一个有毒的过程，且至今仍是一项挑战。为此，研究人员找到了一种方法，利用成本相对较低的有机配位剂α-环糊精从活性炭中剥离金阴离子；活性炭是黄金工业中常用的基底。

碲是一种公认难以处理的关键金属，原因有二：其丰度极低，很少直接开采，通常是从镍矿开采的废料中分离出来的；此外，它具有多种氧化态，由于其倾向于以氧化物形式存在，在化学活化以进行沉淀时极具挑战性。然而，研究人员发现，通过向二氧化碲（TeO2）中添加特定的邻苯二酚衍生物，可以在氧化还原条件下置换出氧并形成碲配合物，从而成功提纯产物。

我们查阅了CAS Content Collection^TM，这是全球最大的经人工标引的科学信息库，旨在深入了解分离与提纯技术的发展演变。我们发现，过去25年里，与这些工艺相关的期刊和专利发表量呈强劲上升趋势（见图3）。

我们还考察了部分关键金属的期刊和专利数量（见图4）。整体增长反映了移动电话以及近期电动汽车等电池驱动设备日益增长的趋势。从2018年起，锂的出版物数量跃居关键金属之首，并于2022年超过了钴。在铂族金属中，铂和钯是专利中报道最多的金属，其次是银和金，然后是铑和钌。在期刊论文方面，铈、钕和镧等稀土元素是继钯之后发表量最多的金属。

通过此项分析，我们可以看到围绕这些元素开展的活跃研究，图3中专利出版物的增长也表明，改进后的分离与提纯技术正逐步走向商业化。

在出版趋势方面也存在地域差异，这涵盖了期刊和专利。图5显示了按关键金属和国家/地区划分的文献总量热图，并根据电池与太阳能、催化、电子等典型应用进行了分组。中国在许多关键金属的出版物数量上均位居首位，特别是锂、钴、金、银、铂、钯、镧、铈和钕。日本在钴、铂和钯方面紧随其后。值得注意的是，关于碲和铱的出版物较少，其中中国和日本的发表量最多，而锇在所有元素和国家/地区中的出版物数量最少。

对比图5和表1可得出两点观察：(1) 中国不仅拥有最丰富的关键金属资源，也是发表相关文献最多的国家；(2) 韩国和日本虽无关键金属资源，但其文献发表量却位居前三。这为全球处于类似处境、且在资源相对匮乏的情况下寻求技术增长的国家提供了启示。

为更深入地了解主要专利持有者，我们选取了排名前四的国家和地区，并按关键金属元素对专利受让人进行了分析（见图6）。

中南大学在专利总量和钴专利方面处于领先地位，而广东邦普循环科技有限公司持有的锂专利最多。在日本，住友金属矿山株式会社是最大的专利持有者，其次是JX金属株式会社，两家公司在多种选定关键金属领域均有大量专利发表。在韩国，钯金是专利申请最多的关键金属，主要由韩国能源技术研究院主导。这些分析凸显了关键金属在亚洲的集中度以及该地区在相关研究上的投入。

关键金属，关键未来

关键金属市场是全球经济中一个规模庞大且不断增长的领域，不同金属类别的市场估值差异显著。锂市场预计今年将达到111亿美元，而受电动汽车和电子产品电池需求增长的推动，钴市场持续增长，目前估值为170亿美元。铂族金属（PGM）市场2024年的估值为216亿美元，预计2025年将增长至227亿美元；稀土元素（REE）市场的估值因来源不同而存在差异，预计2025年将在40亿美元至80多亿美元之间，这反映了该市场的复杂性和快速演变。

只要智能手机、计算机、电动汽车和可再生能源系统仍依赖这些金属，它们对现代经济就不可或缺。地缘政治紧张局势和贸易政策可能会加剧价格波动和供需失衡，因此企业必须制定稳健的采购策略和全面的供应链测绘，以应对这一不确定的环境。

向更可持续的提取和分离技术转型有助于应对这些挑战，持续的科研投入有望带来突破，在提高效率的同时降低环境影响。科学出版物和专利数量的增加表明，有望出现能够改变传统加工方法的创新技术。

通过以更高的环境可持续性提取更多关键金属，我们将获得更多此类至关重要的元素，为现代生活所依赖的电子设备提供动力。幸运的是，新方法和更优方案的前景广阔，这意味着当今及未来的技术引擎将拥有一个积极的未来。