仰賴稀土金屬開採非趨勢,新技術研發可取而代之的便宜化合物

作者 | 發布日期 2019 年 07 月 09 日 19:10 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly

稀土金屬是各領域不可或缺的關鍵原料,然而如今大部分稀土元素掌握在中國手上,供應量有限且價格相對昂貴。現在,密西根大學團隊開發一種技術,能將尋常元素組合成可取代稀土金屬的新化合物,也許未來有機會減少各行各業對稀土元素的依賴。

稀土金屬(Rare Earth,或稱稀土元素)是元素週期表第 Ⅲ 族副族元素鈧、釔以及鑭系元素等共 17 種化學元素的合稱,具體來講包括鑭系 15 個元素:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)以及與鑭系密切相關的兩個元素:鈧(Sc)、釔(Y)。

舉凡太陽能電池板、風力發電機、電子設備、機械、電動車、你手中的手機到照亮室內的 LED 燈泡等各領域應用,都會使用到地球上昂貴的稀土金屬,當今太陽能板之所以擁有高轉換率,也要歸功於稀土金屬如銦、鎵、硒等;或者碳化鎢(WC)硬質合金,由於鎢的熔點非常高,常常用在航空業、金屬加工、採礦和建築工業中做為耐用金屬。

然而現實是:全球近 8 成稀土金屬供應地來自中國,若你的國家不幸跟中國打起貿易戰,稀土元素可能會成為一大把柄。此外,目前技術也難以有效回收稀土金屬,各行各業應用仰賴一個可能在 10~20 年內耗盡的原料,太沒有安全感。

因此,各國科學家無不致力於研發能替代稀土金屬的化合物,包括本田、三星等企業都開發過回收方法。最近,美國密西根大學、洛林大學、坎特伯雷大學團隊則使用「分子束磊晶(Molecular beam epitaxy,MBE)技術,成功將價格更便宜、地殼含量更豐富的尋常元素組合成 II-IV-V 化合物,能取代常在三五族(III-V)金屬材料中出現的稀土元素。

II-IV-V 化合物具有和稀土元素類似的特性,比如鋅-錫-氮化合物可以「調整」用來吸收不同波長的太陽光,這代表薄膜太陽能電池板、LED 燈、電視顯示器、手機螢幕中的稀土金屬有機會被替代;此外,特定種類元素結合而成的新化合物,得益於元素排列方式,也能使材料變得對特定波長光敏感,可以製造發射出特定顏色光的發光二極體。

研究團隊下一階段將詳細研究各種新型化合物的效能,並測試新材料各種奈米結構可能帶來的不同功能。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters,PRL)期刊。

(首圖來源:pixabay

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