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，但我们很少去思考使它们发挥功能的金属元素。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，我们在浏览网页或执行高负荷任务时，将无法保存大量临时或长期数据。这些组件的原材料由所谓的关键金属制成。
关键金属 被视为关键金属的原因有二：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。这些因素使得它们在缺乏重要天然矿藏的地区和国家中备受追捧，但也更难获取。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、更有效的关键金属提取工艺。目前的方法通常使用有毒化学品和苛刻的反应条件，导致这些步骤对环境不友好，且因大量使用溶剂而效率低下。此外，由于分离技术落后，在提纯过程中会损失相当大比例的关键金属。
幸运的是，大量的科学研究正在解决这些问题，更好的方法可能很快就能满足市场需求和环境要求。
什么是关键金属？
观察元素周期表（见图 1），关键金属包括一些碱土金属（如锂）、一些第一行过渡金属（如钴）以及一些 p 区金属（如碲）。它们还包括第二行和第三行过渡金属，涵盖铂族金属（PGMs）——铂、钯、铑、钌、铱和锇。关键金属还包括一些镧系元素或稀土金属（REMs），也称为稀土元素（REEs），包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆和铽。
美国地质调查局（USGS）监测着一组更大的集合，称为 关键矿物 ，其中包括铝、铜、铁和镍等元素，但由于它们相对丰富且拥有成熟的提纯工艺，我们未将其纳入此次分析。
关键金属不仅价值极高且分布不均，而且由于其物理性质的改善，它们已经取代了性能较差的金属。例如，钕等某些关键金属具有极强的永磁特性，甚至超过了铁，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选择，从而成为数字时代不可或缺的组件。
值得注意的是，每个国家或地区所拥有的相关元素关键金属的储量。USGS 提供 了这些自然资源的全球覆盖范围，并定期发布报告和更新。表 1 显示了 USGS 数据中按国家或地区划分的储量（单位：公吨，MT）热力图；请注意，USGS 将铂族金属 (PGM) 和镧系元素 (REE) 作为两个组合实体进行报告，而锂、钴和碲则单独列出。正如预期的那样，碲的丰度非常低，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 (REE) 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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关键金属的应用
关键金属被用于众多技术和设备中，但它们具体是如何被整合的呢？主要有三种应用：
- 电池/储能： 锂和钴因其电荷密度和阴极稳定性而被用于电池中，以实现持久的生命周期。目前尚未发现其他能提供相同性能的元素。例如，低成本且广泛使用的铅和锌基电池虽然已商业化多年，但它们存在环境问题，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，电动汽车电机则需要能在压力下保持强度的磁体。钕是世界上 最强 的商用永磁金属之一；镝 能够保持 高温下的磁强度；而铽可用于 增强 其他组件的磁性。在某些情况下，镨等关键金属可作为钕的低成本替代方案。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（RAM），以及用于扬声器和耳机的微型磁铁。
- 催化： 在用于催化的关键金属中，钌对于氨的生产至关重要，而铱对于绿色氢能生产（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、分离与纯化
使用关键金属的行业因其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，以提取其中的关键金属并将其重新用于新设备。虽然这在 一定程度上取得了成功 并应作为优先事项，但还有其他方法可以在关键金属生命周期的初期提高其提取率，例如采矿、分离和纯化。
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，每种工艺都涵盖了具体的流程。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、用于去除挥发性杂质的煅烧，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 产生 有毒化学品。然而，新的绿色技术或许能够克服这些挑战：
电池金属：锂和钴
锂和钴等电池关键金属的分离与纯化技术通常包括 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 一种能够从包括钠、镁和锌在内的多种金属盐阵列中高效率选择性结合氯化锂的新型试剂。沉淀法是一种低成本且可扩展的方法，并已成功用于 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，而镍则保留在溶液中。
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法。例如，一种铂配合物已被 分离 出来，使其与包括钯和铑在内的其他铂族金属分开。研究人员使用了一种名为葫芦[6]脲的有机添加剂，它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
金矿的提纯过程具有毒性，且至今仍是一项挑战。为此，研究人员找到了一种方法，可以 剥离金阴离子 ，他们使用了一种成本相对较低的有机配位剂——α-环糊精；活性炭是黄金工业中常用的一种典型基质。
碲是一种公认的难以处理的关键金属，原因有二：一是其丰度极低，很少直接开采，通常是从镍矿开采的废料中分离出来的；二是它具有多种氧化态，由于其倾向于以氧化物形式存在，因此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，他们可以在氧化还原条件下置换出氧并形成碲配合物，从而成功提纯了产物。
我们审查了 CAS Content CollectionTM，作为全球最大的人工收录科学信息库，以深入了解分离和纯化技术的发展演变。我们发现，在过去 25 年中，与这些工艺相关的期刊和专利出版物呈现出强劲的上升趋势（见图 3）。
我们还研究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等电池驱动设备以及近期电动汽车的上升趋势。自 2018 年起，锂在关键金属出版物中跃居首位，并于 2022 年超过钴。在铂族金属（PGMs）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。在期刊文章方面，铈、钕和镧等稀土元素（REEs）的出版量仅次于钯。
通过此次分析，我们可以看到围绕这些元素开展的活跃研究活动，图 3 中专利出版物的增长表明，改进后的分离和纯化技术正逐步走向商业化。
出版趋势在地理分布上也存在差异，涵盖了期刊和专利。图 5 显示了按关键金属和国家/地区划分的文献总数热图，并根据电池、太阳能、催化和电子产品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，碲和铱的出版物较少，其中中国和日本最多，而锇在所有元素和国家或地区中的出版物数量最少。
将图 5 与表 1 进行比较，可以得出两个观察结果：(1) 中国既拥有最丰富的关键金属资源，也是出版文献最多的国家；(2) 韩国和日本虽然没有关键金属资源，但在文献出版数量上却位居前三。这对于世界各地处于类似处境、且在资源相对匮乏的情况下寻求技术增长的国家具有启发意义。
为了更详细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，并分析了专利受让人与关键金属元素的关系（见图 6）。
中南大学是总体专利和钴专利的主要专利发布机构，而广东邦普循环科技有限公司持有的锂专利数量最多。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，这两家公司在许多选定的关键金属领域都有广泛的专利发布。在韩国，钯金是专利申请量最大的关键金属，特别是韩国能源技术研究院。这些分析凸显了关键金属在亚洲的集中度以及以该地区为中心的研究工作。
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存在显著差异。锂市场 预计 今年将达到 111 亿美元，而钴市场在电动汽车和电子产品电池需求增加的推动下持续增长。目前其 估值 为 170 亿美元。铂族金属（PGM）市场 估值 在 2024 年为 216 亿美元，预计到 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有所差异，估计在 2025 年约为 40 亿美元至 超过 80 亿美元 ，这反映了该市场的复杂性和快速演变。
只要这些金属还在为智能手机、计算机、电动汽车和可再生能源系统提供动力，它们对于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 供应链映射 ，以应对这一不确定的市场布局。
向更可持续的提取和分离技术发展的轨迹有助于应对这些挑战，持续的研发投资可能会带来突破，在减少环境影响的同时提高效率。科学出版物和专利的增加表明，有望出现能够改变传统加工方法的创新成果。
通过以更高的环境可持续性提取更多的关键金属，将有更多的此类重要元素可用于驱动现代生活所依赖的电子设备。幸运的是，新的和更好的方法前景广阔，这意味着当今以及未来的技术引擎将拥有一个积极的未来。
