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7440-74-6 / 科普 | 銦的發現及生產應用

01簡介

銦是一種化學元素,符號為 In,原子序數 49。銦是堿金屬除外最柔軟的金屬,外觀如錫般呈銀白色,它是一種后過渡金屬,在地殼中的成分占 0.21ppm(百萬分率)。銦的熔點比鈉和鎵高,但低于鋰和錫?;瘜W上,銦類似鎵和鉈,其性質主要介于兩者之間。銦在 1863 年由斐迪南·賴希和希羅尼穆斯·特奧多爾·里赫特透過光譜方法發現,他們因為其靛藍色的譜線而如此命名,隔年,銦才被分離出來。

科普 | 銦的發現及生產應用

銦是硫化鋅礦石的次要成分,且為鋅精煉的副產物。它主要運用在半導體工業、低熔點金屬合金如焊料、軟金屬高真空密封墊以及制造涂覆在玻璃上的透明氧化銦錫(ITO)導電膜。因此銦是一種科技關鍵元素。

02銦的發現簡史

銦元素是在1863年由德國的賴希和李希特,用光譜法研究閃鋅礦時發現的。

銦的發現要歸功于元素鉈的發現,在鉈被發現和取得后,德國弗賴貝格(Freiberg)礦業學院物理學教授賴希由于對鉈的一些性質感興趣,希望得到足夠的金屬進行實驗研究。他在1863年開始在夫賴堡希曼爾斯夫斯特(Himmelsfüst)出產的鋅礦中尋找這種金屬。這種礦石所含主要成分是含砷的黃鐵礦、閃鋅礦、輝鉛礦、硅土、錳、銅和少量的錫、鎘等。賴希認為其中還可能含有鉈。雖然實驗花費了很多時間,但他卻沒有獲得期望的元素。然而他得到了一種不知成分的草黃色沉淀物,并認為是一種新元素的硫化物。

只有利用光譜進行分析來證明這一假設。可是賴希是色盲,只得請求他的助手H.T.李希特進行光譜分析實驗。李希特在第一次實驗就成功了,他在分光鏡中發現一條靛藍色的明線,位置和銫的兩條藍色明亮線不相吻合,就從希臘文中"靛藍"(indikon)一詞命名它為indium(銦)。兩位科學家共同署名發現銦的報告。分離出金屬銦還是他們二者共同完成的。他們首先分離出銦的氯化物和氫氧化物,利用吹管在木炭上還原成金屬銦,于1867年在法國科學院展出。

03生產

銦在加工其他金屬礦物時作為副產物。它的主要來源是硫化鋅礦,硫化鋅礦主要存在于閃鋅礦中少量可能從硫化銅礦物中提取。在鋅冶煉的焙燒--電解提取的過程中,銦會聚集在富含鐵的殘余物中。銦可從上述方式中提取,也可以直接從過程產生的溶液還原并通過電解進一步地純化。確切的過程因冶煉廠的運作方式而異。

銦的生產受到每年提取的硫化鋅(和銅)礦物數量的限制(因為銦是副產物)。因此,需要根據供應潛力來衡量其可用性。副產物的供應潛力定義為在當前市場條件下(技術和價格)每年從其主體材料中商業化提取的量 。副產品不需考量存量和來源,因為它不能獨立于主要產品中提取。最近的估計顯示,銦的供應潛力至少有 1,300噸/年是來自硫化鋅礦石以及 20 公噸/年來自硫化銅礦石 。這些數字遠遠高于目前的產量(2016 年為 655 公噸) ,因此,在不顯著增加生產成本或價格的情況下,未來銦的副產品可能增加產量。 2016年銦的平均價格為240美元/公斤,低于2014年的705美元/公斤。

中國是銦的主要生產國(2019 年為 300 噸),其次是韓國(240 噸),日本(75 噸)和加拿大(60 噸)。

04應用

1924年,人們發現銦具有穩定有色金屬的重要特性,成為銦的首要用途。第一次大規模應用是在第二次世界大戰期間,在高性能飛機的發動機中涂覆軸承,以防止損壞和腐蝕(已非現今主要用途)。人們在易熔合金、焊料和電子產品中發現銦的新用途。在1950年代,銦的微小珠子用于 PNP 合金結晶體管的發射極和集電極。在1980年代中后期,用于液晶顯示器(LCD)的磷化銦半導體和氧化銦錫(ITO)薄膜的發展引起人們的極大興趣。到1992年,薄膜應用已成為銦最大的用途。

氧化銦 In2O3 (III)和氧化銦錫(ITO)用作導電發光板中玻璃基板上的透明導電涂層。氧化銦錫用作低壓鈉蒸汽燈中的濾光器。紅外輻射被反射回燈中,可提高燈管內的溫度并改善燈的性能。 銦有許多與半導體相關的應用。一些銦化合物,如銻化銦和磷化銦,是有用的半導體。一種常用于半導體的銦化物是三甲基銦(TMI),三甲基銦也用作 II-VI價化合物半導體中的半導體摻雜劑。 InAs 和 InSb 用于低溫晶體管,InP 用于高溫晶體管 ?;衔锇雽w InGaN 和 InGaP 用于發光二極管(LED)和激光二極管。銦在光伏電池中作為半導體銅銦鎵硒半導體(CIGS),光伏電池也稱為 CIGS 太陽能電池(一種第二代薄膜太陽能電池)。銦用于含鍺的 PNP 雙極結晶體管,因為當在低溫下焊接時,銦不會對鍺產生影響。

銦絲在低溫和超高真空應用中用作真空密封和熱導體,例如作為填充間隙的墊圈 。銦是鎵–銦–錫合金中的一種成分,該合金在室溫下是液體,在某些溫度計中取代汞。其他銦與鉍、鎘、鉛和錫的合金,具有較高的熔點(仍然偏低,50至100°C),用于消防噴淋系統和熱調節器。

銦是堿性電池中汞的一種替代品,可防止鋅腐蝕和氫氣產生。添加銦到一些牙科用汞合金中以降低汞的表面張力,節省汞合金用量并提高其融合性。

銦的高度補捉中子的典型特性適用于核反應堆的控制組,通常是 80%銀、15%銦和 5%鎘的合金。在核工程中,銦-113 和 銦-115 的 (n,n') 反應用于確定中子通量的大小。