科普:金属镓及其应用领域

一、金属是何种元素

镓元素在元素周期表中处于第四周期ⅢA族,纯镓的熔点很低,仅为29.78℃,然而沸点却高达2204.8℃,在夏季大部分呈液态存在,置于掌中即可熔化。从以上性质我们便可了解到镓之所以会腐蚀其他金属,正是由于其熔点低,液态镓与其他金属生成合金,便就看到前面所说的神奇现象。其在地壳中的含量仅占约0.001%,直到140年前,人类才发现了它的存在, 1871年,俄国化学家门捷列夫在总结元素周期表时,预测出在锌元素之后,铝元素下面还存在一种元素,该元素与铝元素性质相似,将其称为“类铝元素”。到1875年法国科学家布瓦博德兰在研究同族金属元素的谱线规律时,于闪锌矿(ZnS)中发现了一段陌生光带,从而找到了这个“类铝元素”,然后以自己的祖国法国(高卢,拉丁文Gallia)命名,符号为Ga来表示该元素,因而镓成为化学元素发现史上,第一个被预言,而后在实验中发现证实的元素。

金属镓在全球中主要分布在中国、德国、法国、澳大利亚、哈萨克斯坦等国,其中我国镓资源储量占世界总量的95%以上,主要分布在山西、贵州、云南、河南、广西等地[1],在分布类型上来看,山西、山东等地主要存在于铝土矿中,云南等地存在于锡矿中,湖南等地主要存在于闪锌矿中。镓金属刚被发现之初,由于他的应用没有相应研究,人们一直认为该金属是一种可用性不强的金属,然而随着信息技术的不断发展,新能源与高科技并进的时代,镓金属在信息领域作为一种重要材料才得以受到关注,其需求量也得到大幅提升。

二、金属镓的应用领域

1.半导体领域

镓在半导体材料领域中主要以砷化镓(GaAs)材料应用最为广泛,且技术最为成熟,半导体材料作为信息传播的载体,其镓的使用量达到了镓总消耗量的80%~85%,主要应用在无线通讯领域,砷化镓功率放大器可将通讯传输速度提升至4G网络的100倍,对于进入5G时代可谓具有重要作用[2]。并且镓因为其热特性、低熔点、高导热率以及流动性能好等优点,可在半导体应用领域作为一种散热介质使用,将镓金属以一种镓基合金的形式应用在热界面材料中,可以提高电子元器件的散热能力和效率。

2.太阳能电池

太阳能电池的发展经历从早期的单晶硅太阳能电池到多晶硅薄膜电池,由于多晶硅薄膜电池的成本过高,研究者们在半导体材料中发现了铜铟镓硒薄膜(CIGS)电池[3],CIGS电池具有生产成本低、能够大批次生产、光电转换率高的优势,因而具有广阔的发展前景。其次,砷化镓聚光太阳能电池转化效率较之其他材料的薄膜电池有明显的优势,但是由于砷化镓材料的制作成本高,目前主要应用于航空航天和军工领域。

3.氢能源

随着全世界能源危机意识的加强,人们都在寻求能够取代不可再生能源,其中氢能可谓脱颖而出,但是氢气的储存和运输过程中的高成本和低安全性,阻碍该技术的发展,铝作为地壳中含量最丰富的金属元素,在一定条件下可以与水反应制备氢气,是一种理想的储氢材料,然而由于金属铝表面极易氧化生成致密氧化铝薄膜,抑制反应进行,经研究人员发现将低熔点的金属镓与铝形成合金,而镓可以溶解表面的氧化铝涂层,使得反应能够得以进行[4],并且金属镓可以被回收反复使用。铝镓合金材料的使用极大的解决了氢能的快速制备和安全储运,提高为了安全性、经济性和环保性。

4.医疗领域

镓在医疗领域多是因为其特有的放射性能,可用于对恶性肿瘤进行显像和抑制[5],镓类化合物具有明显的抗真菌、抗细菌活性,通过干扰细菌代谢,最终达到杀菌目的。并且镓合金可用作制作温度计,如镓铟锡体温计,一种新型的液态金属合金,具有安全无毒且环保的特性,可用于取代有毒的水银温度计。除此以外,一定比例的镓基合金替换传统的银汞合金,作为新型的牙科填充材料用于临床应用。

三、展望

尽管我国是世界上镓主产国之一,但是我国的镓行业还存在不少问题,由于镓是伴生矿,含量不高,镓生产企业分散,产业链存在薄弱环节,开采过程有较为严重的环境污染,高纯镓生产能力较弱,主要靠于低价出口粗镓,高价进口精镓。然而,科学技术的发展和人民生活水平的提高,镓在信息领域和能源领域的广泛应用,其需求量也将会迅猛增加,高纯镓的生产技术的相对落后必定会对我国产业发展有所桎梏,研发新技术为实现我国科学技术高质量发展具有重要意义。

参考文献

[1] 赵飞燕,张小东,郭昭华,王永旺,陈东,张云峰.金属镓的分布、生产及应用前景[J].轻金属,2017(03):1-3

[2] 冯建广,高增,王振江,杨环宇,牛济泰.镓在工业生产中的提取与应用[J].硅酸盐通报,2018,37(09):2852-2856

[3] 陶加华,褚君浩.铜铟镓硒薄膜太阳电池研究进展和挑战[J].红外与毫米波学报,2022,41(02):395-412.

[4] 赵飞燕,张小东.铝镓合金制氢技术研究进展[J].有色金属(冶炼部分),2020,(1): 60-65

[5] 刘亚磊,贾新林,陈思润,徐盛玉.镓离子的抗菌作用及机制研究进展[J].中国畜牧杂志,2022,58(07):80-86+91

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