中國“鉍”復興

2008年的中國礦業(yè)報曾報道過一個現(xiàn)象：與我國鎢、稀土行業(yè)表現(xiàn)類似，我國鉍的產(chǎn)量和出口量雖然位居世界第一，但是由于我國鉍生產(chǎn)、貿(mào)易和出口市場混亂，缺乏應有的自律，沒有形成整體合力，產(chǎn)能嚴重過剩，惡性競爭突出，喪失了國際市場主動權(quán)和話語權(quán)。此前幾年在鉍價走高、精鉍生產(chǎn)利潤豐厚的刺激下，國內(nèi)許多私營個體企業(yè)一哄而上，產(chǎn)能迅猛增大，企業(yè)數(shù)量繁多，致使我國鉍行業(yè)集中度低、規(guī)模小、產(chǎn)品單一，市場混亂，國際競爭能力下降。

不僅如此，由于鉍的消費市場當時主要在國外，我國的鉍行業(yè)出口的又大都是技術(shù)含量不高的初級產(chǎn)品，利潤率并不高，間接的利益損失則更大。據(jù)了解，我國鉍行業(yè)主要是以銷售鉍錠的形式出口，國外客戶從國內(nèi)購進鉍錠后再加工成技術(shù)含量高的鉍制品以高價銷售全球，鉍行業(yè)大部分利潤都被外商賺取。

鉍到底是一種怎樣的金屬

它又有哪些重要的應用呢

據(jù)上海理工大學鉍科學研究中心主任、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會稀散金屬分會理事繆煜清教授介紹，鉍（bismuth）是一種金屬元素，元素符號是Bi，原子序數(shù)是83，在元素周期表中位于第六周期第五主族，是元素周期表中的最后一個穩(wěn)定元素。它和鉛一樣，屬于重金屬，但不一樣的是，它的單質(zhì)和化合物常常低毒或無毒，很多時候，毒性甚至低于食用鹽NaCl，這一點使得鉍成為公認的綠色金屬元素。

鉍錠（圖源：昆雍新材）

鉍的原子序數(shù)大，相對原子質(zhì)量大（208.98），能夠衰減、屏蔽X射線或γ輻射，可用于醫(yī)學成像中的造影或防護。利用鉍基納米單質(zhì)、復合物或者化合物的成像性、藥物性、載藥性、熒光、光聲和光熱等特性，可以實現(xiàn)對腫瘤部位的多模態(tài)診斷與治療，如CT成像、熒光成像、光聲、光熱治療、放射治療、光動力治療等，從而提高癌癥診斷和治療的準確性和高效性。

鉍的密度很大（9.8 g/cm3），大約是鉛密度（11.3 g/cm3）的86.7%。在很多場合，常常用于鉛的替代品，加拿大用綠色的鉍代替有毒的鉛來制作獵槍子彈。世界各國對有毒鉛的限制使用，進一步擴大了鉍的應用，使世界上鉍消費量增加約25%。

鉍珠（圖源：株洲科能）

鉍的熔點很低（271.4℃），沸點很高（1564℃），很容易冶煉生產(chǎn)，在焊料、電熔斷器和自動噴水滅火系統(tǒng)等方面有著重要的應用。和鉛、錫、銻、銦等金屬組成的鉍易熔合金，熔點甚至低達47℃，可以用于消防裝置、自動噴水器、鍋爐的安全塞。一旦發(fā)生火災，活塞受熱熔化，自動噴水滅火。

鉍金屬是為數(shù)不多的冷脹熱縮材料，液相鉍的密度比固相鉍的密度大，固化時體積會膨脹3.3%左右，這一特點與銻、鍺、硅、鎵相似，可用于對邊緣清晰度有較高要求的精密鑄造。在凝固過程中，鉍的膨脹補償了合金中同時存在的其他金屬成分的收縮，導致體積不會有顯著的變化。

鉍的導熱系數(shù)幾乎最低、霍爾系數(shù)最高，可以提高熱電材料的性能，而且它質(zhì)地柔軟，可用于能夠與皮膚緊密貼合的柔性可穿戴設備。將鉍沉積到聚酰亞胺和聚二醚酮的聚合材料上可以制備超薄柔性的鉍霍爾傳感器。該傳感器可以彎曲在手指或手腕上并且不損失磁性或電學性能，實現(xiàn)可穿戴型電子產(chǎn)品裝置。鉍基柔性可穿戴設備有望應用在電子皮膚、可穿戴生理監(jiān)測治療裝置、柔性導電織物、薄膜晶體管和透明薄膜柔性門電路等方面。

鉍粉（圖源：株洲科能）

鉍是天然抗磁性最強的金屬，在20℃時比磁化率為16×10-9m3/kg，可以應用于磁懸浮列車。金屬鉍也有較大的磁致電阻效應，有可能在磁感性材料方面形成高附加值的產(chǎn)品。

鉍也被認為是最不像金屬的金屬，一方面它的硬度高且脆性強，另一方面由于載流子濃度低，導電性幾乎是所有金屬中最低的，電阻比典型的金屬大10到100倍，甚至可以把鉍稱之為半金屬。但在接近絕對零度時，鉍又會變成超導體。此外，鉍的氧化物卻有很高的陽離子導電性，可應用于固態(tài)氧化物燃料電池和氧傳感器上。

鉍化合物通常很難溶，即使是鉍的硝酸鹽和鈉鹽也很難溶，甚至在硝酸溶液中也能水解產(chǎn)生沉淀。這種難溶性也正是它能夠用于胃潰瘍治療的原因之一：即使在pH小于2的強胃酸環(huán)境下，鉍鹽也很容易水解為彼此交聯(lián)的羥基化水合物納米膠體，它們和胃壁之間存在很強的氫鍵以及靜電作用，從而牢固吸附到潰瘍的表面，保護受損的胃黏膜，同時殺死造成胃潰瘍的罪魁禍首——幽門螺旋桿菌，達到治療胃炎、胃病的目的。

鉍及其化合物、復合物很多具有良好的光和光電響應，能在紫外、可見或近紅外光區(qū)被激發(fā)并表現(xiàn)出一定的光吸收、光致發(fā)光和光電響應，可以應用在發(fā)光材料以及光電探測器、場發(fā)射顯示器、太陽能電池等領域。有機金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池是一種以全固態(tài)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)作為吸光材料的太陽能電池，鉍基鈣鈦礦太陽能電池在光吸收和光電轉(zhuǎn)換方面具有良好的性能，作為鉛鈣鈦礦太陽能電池的替代品，被譽為“光伏領域的新希望”。

鉍基催化材料在解決當今社會環(huán)境污染和能源短缺方面起到重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，鉍及其化合物、復合物在光催化、電催化、光電催化等方面表現(xiàn)出較高的催化活性，使許多新的應用領域如制氫和污染物降解成為可能。

純鉍通常是灰白色或銀白色，融化冷卻形成晶體的過程會在表面生成一層超薄的氧化層Bi2O3。由于不同波長的光在入射和反射時發(fā)生變色折射，鉍晶體的表面呈現(xiàn)出典型的彩虹色外觀，可以說是美輪美奐，有時候用來制作首飾或者工藝品。作為一種綠色元素，許多鉍化合物具有鮮艷的顏色，可用于化妝品或者顏料，比如氯氧化鉍(BiOCl)具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，顯示出銀白色珍珠光澤，用于眼影、發(fā)膠、指甲油等化妝品的珠光效果。鉍黃顏料的基本發(fā)色成分為釩酸鉍（BiVO4），對可見光中波長在550～600 nm范圍的黃色區(qū)域光反射率比鉛鉻黃還高，其遮蓋力、耐候性、耐光性、耐熱性和耐化學品性都非常優(yōu)異，可以直接替代有毒的鉛鉻黃，由釩酸鉍和鉬酸鉍混合制得的鉍黃顏料已經(jīng)用于汽車顏料。

鉍黃（圖源：昆雍新材）

長期缺少市場話語權(quán)的國內(nèi)鉍

相關產(chǎn)品現(xiàn)在發(fā)展如何

繆煜清教授認為，國內(nèi)鉍相關產(chǎn)品缺少市場話語權(quán)問題的關鍵是我們在鉍相關產(chǎn)品上的技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)領先和技術(shù)壟斷與歐美發(fā)達國家相比還有一定距離。深入開展鉍科學基礎理論研究、拓展鉍相關產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、推動鉍產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，對我國科技進步、資源發(fā)展以及經(jīng)濟建設具有重要的意義。他認為，坐擁三個第一（儲量、產(chǎn)量、出口量）的中國，理應成為世界鉍科學研究、鉍產(chǎn)品研發(fā)、鉍產(chǎn)業(yè)進步的領跑者和掌控者。

值得注意的是，這些年國內(nèi)高校和研究所對鉍元素物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、材料性能以及應用開發(fā)等領域的研究進入了一個全面爆發(fā)的時期，在鉍配合物生物醫(yī)學、鉍基納米診療、鉍基熒光材料、鉍基二維電子材料、鉍基熱電材料、鉍基光催化材料等領域形成了諸多的研究熱點并取得了重要的進展。

中核集團打造出擁有自主產(chǎn)權(quán)的也是首座鉛鉍合金冷卻反應堆零功率裝置，是里程碑式的重大進展。未來鉛鉍合金反應堆不僅能服務于百萬千瓦級的大型電廠還可以被設計為兆瓦級小型模塊化核電源，甚至家用轎車有望裝載移動式的小型核電源。

3D打印技術(shù)是科技進步的重要標志，它改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)方式，成為制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。我國科學家在《science》上報道了一種熱電性能優(yōu)異的納米BiSbTe合金，解決了早期鉍基低熔點合金在制作熱電器件時存在的熱電值較低的問題。在此基礎上，研究人員用Bi2Te3/Sb2Te3材料作為粘彈性熱電油墨，采用擠壓式3D打印技術(shù)，成功打印了發(fā)電機上的熱電元件。這種鉍基合金熔點低、冷卻快，易于3D打印，制得的零件表面均勻、形狀規(guī)整。

鉍系列產(chǎn)品（圖源：昆雍新材）

鉍銦鍺鎵等稀散金屬，在現(xiàn)代武器探測、制導、光伏、通訊、航天與軍事用途等方面發(fā)揮著不可或缺的作用，對軍事信息化、國防現(xiàn)代化、智能化制造的影響越來越大。2021年成立的中國有色金屬工業(yè)協(xié)會稀散金屬分會體現(xiàn)了國家對稀散金屬戰(zhàn)略地位和科技創(chuàng)新的高度重視，鉍基新材料迎來了重大發(fā)展機遇。

高校和研究所攜手企業(yè)構(gòu)筑新型產(chǎn)學研聯(lián)盟，開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，掌握核心技術(shù)、破解卡脖子技術(shù)，通過高科技產(chǎn)品和技術(shù)引領市場，營造中國鉍科技、鉍產(chǎn)業(yè)在國際科技、經(jīng)濟和戰(zhàn)略上的優(yōu)勢。科研人員相信這種“綠色”金屬元素鉍的巨大潛力正在不斷呈現(xiàn)。我們也相信，中國鉍，定將復興！

參考來源：

繆煜清：日益重要的戰(zhàn)略金屬—鉍，上海理工大學鉍科學研究中心

王瓊杰：優(yōu)勢鉍資源緣何難有優(yōu)勢，中國礦業(yè)報