碲:稀藏广用 科技之骨
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作者简介 About authors
李德先,正高级工程师,《中国矿产地质志·稀散金属矿卷》主编,主要从事稀散金属和矿山环境研究。
本文引用格式
文/李德先, 王成辉.
碲,位于元素周期表中第Ⅴ周期第Ⅵ主族,原子序数为52,元素符号为Te。碲在地壳中的含量极低,多数研究者测定其丰度范围为0.05×10-6~0.09×10-6,但学界普遍认为碲的丰度仅为0.01×10-6甚至更低(刘英俊 等,1984),属于典型的稀散元素。有趣的是,碲在宇宙中的丰度却是地壳中的一万多倍。这种巨大差异源于太阳系形成早期的特殊环境,在缺氧缺水条件下,碲易形成易挥发的碲化氢(H2Te)气体,该气体未能有效凝结并聚集于类地行星中,反而大量散逸至宇宙空间,最终导致地球上的碲“先天稀缺”。因此,碲很难形成独立矿床,全球已报道的独立碲矿床仅有两例,分别为中国四川省石棉县大水沟碲铋矿床和瑞典Kankberg碲金矿床(陈加杰 等,2020)。绝大多数碲以伴生元素形式赋存在金、银、铜等矿产中,通常作为铜冶炼的副产品被回收。目前,全球超过98%的碲产量来自铜冶炼的阳极泥(含碲量约2% ~ 3%),其供应高度依赖铜的生产规模。
单质碲本身毒性很低,然而一旦进入人体,就会代谢生成二甲基碲化物(胡莉萍 等,2002),并通过呼吸和汗液散发出强烈而持久的刺激性大蒜气味,碲也因此被戏称为“最尴尬的稀散元素”。然而,在现代科技中,碲是新能源、半导体和国防等领域不可或缺的战略性资源。
发现往事
碲是稀散元素中最早被发现的成员,其发现过程历时16年。早在1782年,奥地利矿物学家弗朗茨·约瑟夫·米勒便从一种名为“可疑金”的矿石中提取出一种银灰色金属,他推测这可能是一种新元素,但这一发现在当时并未引起广泛关注。直至1798年,德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特对“可疑金”进行实验研究,正式确认其为一种新元素,并将其命名为“tellurium”(源自拉丁文tellus,意为“地球”)。在科学史上,碲的发现也普遍被归功于克拉普罗特。
尽管碲元素发现得较早,而直至20世纪50年代后期,受冶金、石油化工、医学等行业发展的影响,碲的工业价值才得以凸显,逐渐成为具有重要应用价值的工业元素。
物性本色
碲兼具金属性与非金属性,是典型的半金属元素。在化学性质上,碲与同族的硫元素类似,能以阴离子形式形成金属碲化物,表现出明显的非金属性,因此其形成的独立矿物种类繁多,且以碲化物矿物为主;在物理性质上,碲外观呈金属光泽,与酸反应可生成二氧化碲(TeO2),同时其电阻率、电负性等关键参数均介于金属与非金属之间。
常温下,碲存在两种同素异形体:一种为具银色金属光泽的晶体,导电性良好,但延展性极差;另一种是呈炭灰色至黑色的无定型粉末,称为灰碲。碲的熔点约为449.5°C,沸点约为988°C,在空气中加热可发生燃烧反应,生成带腐烂气味的白色二氧化碲烟雾。
需要注意的是,虽然单质碲毒性很低,但其多数化合物具有较强毒性,尤其是碲化氢,不仅具有强烈的腐烂臭味,且毒性极强,过量吸入可能会引发呼吸困难、恶心和头痛等症状。碲化氢的水溶液为氢碲酸,其酸性强度与磷酸相近,但化学性质极不稳定。
藏身何处
全球碲资源储量较为丰富,据美国地质调查局《矿产品概要2025》统计,目前全球碲资源储量达35 000吨。其中,我国碲储量为3 100 吨,仅次于俄罗斯和美国,位居全球第三。我国碲资源主要分布于江西、甘肃、广东等省份,广东大宝山铜多金属矿、江西城门山铜矿及甘肃白家嘴子铜镍矿等,均为大型或超大型伴生碲矿床。近10年来,我国碲年产量持续增长,2024年,我国碲产量约占全球估算总产量的75%,在全球碲资源格局中占据举足轻重的地位。
大显神通
碲的应用领域十分广泛,正在从传统工业向高科技产业持续拓展,其应用价值也随之不断提升。
新能源与半导体产业
新能源与半导体产业是当前碲需求增长最快的应用领域,消费占比已超过全球碲总销量的60%。
碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池是碲重要的应用领域之一,该电池具有制造成本低、光电转换效率高、弱光响应好等优势,是光伏技术的重要发展方向。未来,这类薄膜电池还可进一步拓展至汽车、移动设备等领域,市场前景广阔。
碲化铋(Bi2Te3)是目前较高效的热电材料之一,可用来制造热电发电机,将汽车发动机余热、工业设备余热等废热转化为电能,还可用于制造热电制冷器,应用于电子设备冷却、便携冰箱、汽车座椅温控系统等场景。此外,它还是氟利昂的理想环保替代品,可作为冰箱和空调的制冷剂。
相变存储器(PCM)材料,如锗锑碲(Ge2Sb2Te5,简称GST)是实现高速、低功耗存储的关键,其读写速度远超传统硬盘,已广泛应用于可重写DVD、蓝光光盘及新一代存储芯片的生产。
冶金工业
冶金工业曾是碲应用量最大的领域,虽然目前在全球碲消费结构中的占比已降至16%左右,但仍占据重要地位。碲是一种优质的合金添加剂,添加微量的碲即可显著改善材料性能。在钢铁中加入少量碲,可提升其机械切削性能、硬度和耐磨性;在铸铁工艺中,碲可用于控制白口深度,并在可锻铸铁中充当硬质合金稳定剂;在铅合金生产中,碲的加入可增强合金的耐腐蚀性、抗振性和抗疲劳性,该类合金常用于制造海底电缆护套。
石油化工与玻璃工业
石油化工与玻璃工业也是碲在传统领域的应用之一。碲及其化合物在石化行业中可作为催化剂或添加剂,应用于石油裂解、乙二醇合成和橡胶硫化等工业过程。在玻璃工业中,氧化碲可用来制造蓝色、棕色和红色等有色玻璃。碲玻璃具有高折射率和红外透明特性,更适用于生产红外光学器件(如红外窗口);其良好的光敏性可用于制造光导摄像管;低软化温度的特性则有利于制造真空密闭半导体元件。
医疗领域
碲在医疗领域也具有重要应用价值。部分碲化合物可用作消毒剂、杀菌剂和杀虫剂,历史上曾用于梅毒的治疗;部分有机碲化合物表现出抗肿瘤活性,能够抑制白血病细胞增殖;放射性碲同位素(如123Te)可用来制备治疗甲状腺疾病的药物;碲也是一种常用的医学示踪剂,在成像诊断中发挥关键作用。
军事领域
作为先进武器系统的关键材料,碲在军事领域占据重要地位。碲镉汞(HgCdTe)化合物是军用和航天红外探测器的核心光敏材料,广泛应用于隐形战机等装备。超高纯碲(纯度可达99.99999%)单晶是重要的红外光学材料,主要用于制造红外窗口和探测元件,在卫星遥感、激光制导等战略领域发挥着不可替代的作用。
未来可期
从高效太阳能电池到红外探测器,从热电设备到相变存储器,碲凭借其卓越的光电与热电性能,成为连接冶金、化工、电子和新能源领域的关键桥梁,其战略地位日益凸显。随着全球清洁能源需求的持续增长,以及5G通信、互联网、人工智能等高端电子设备的广泛应用,作为碲化镉薄膜电池核心材料的碲和半导体基础原料的高纯碲,其市场需求量预计将长期保持高位。
与此同时,碲资源的稳定可持续供应面临多重挑战。一是供应链单一脆弱,目前全球 90% 以上的碲依赖电解铜阳极泥回收,供应高度受制于铜工业的发展规模;二是高端产品研发生产能力不足,以我国为例,尽管已承担了全球 70% 以上的碲产量,但高附加值产品(如高纯碲、碲化镉靶材、碲化铋纳米材料等)的占比偏低;三是回收体系亟待完善,需要建立碲化镉等产品的安全回收体系,避免碲和镉引发二次环境污染。
当前,这种一度被视为“尴尬”的稀散元素,正凭借其不可替代的特性,悄然推动能源与科技革命。充分认识碲的价值、重视碲资源的开发利用、探索碲的高效应用路径,对保障国家战略资源安全、抢占未来科技制高点具有至关重要的意义。