《元素的世界》稀土元素為什麼這麼珍貴?

劉公典 2023/08/22 11:43 點閱 2742 次
在腦部造影、治療、監測和神經調節的設計和應用上,稀土因具有獨特的光學特性、優異磁性和高X射線吸收係數,在疾病診斷和治療上深具潛力。(網路截圖)
在腦部造影、治療、監測和神經調節的設計和應用上,稀土因具有獨特的光學特性、優異磁性和高X射線吸收係數,在疾病診斷和治療上深具潛力。(網路截圖)

2019年中國對美國發動關稅報復行動,進口中國關稅由10%提升到25%的產品中就包含稀土元素(REE)。什麼是REE,為什麼REE的缺乏與價格上揚會讓美國,甚至全球緊張與關注?

台灣也有稀土?

REE是由鈧、釔和15個鑭系元素等共17個元素組成,它們具有獨特的內縮 4f 電子軌域和奇特電子能階。REE含量其實不少,以鈰而言,在地殼78種常見元素中排名25。REE主要來自氟碳鈰礦、獨居石、洛帕石和紅土離子吸附粘土。台灣也有少量獨居石,主要分布在濁水溪、曾文溪、八掌溪河岸及海灘。

根據美國地質調查局報告,全球2022年REE蘊藏量是1.3億噸,中國佔全球1/3。而儲量最多的8個國家依序是:中國(4400萬噸)、越南(2200萬噸)、巴西和俄羅並列(2100萬噸)、印度(690萬噸)、澳大利亞(420萬噸)、美國(230萬噸)、格陵蘭島(150萬噸)。(https://investingnews.com/daily/resource-investing/critical-metals-investing/rare-earth-investing/rare-earth-reserves-country/)

REE的價格差異很大;2018年,每公斤氧化鋱455美元,但每公斤氧化鑭只需2美元。2022年美國進口REE的估計價值為2億美元,比2021年增加25%。

稀土多應用於電器

主要用途是60%作為催化劑(煉油廠、汽車),其餘部分(約10%)用於永磁體(手機、風力渦輪機、電動汽車發動機)、陶瓷、玻璃、冶金、合金、拋光、光電(信號放大器、雷射光器)和照明/顯示器(螢光燈、手機、顯示器、有機發光二極體OLED),其中許多組件和產品屬於國防應用。(https://crsreports.congress.gov/product/pdf/R/R46618#:~:text=The%20rare%20earth%20elements%20%28REE%29%20are%20a%20commonly,the%20United%20States%20is%20currently%20reliant%20on%20imports)

美國國會因此在2020年提出一系列關於REE的法案,包括資助從煤炭及其副產品提取REE研究計畫、能源部制定從儲能系統回收關鍵礦物研究計畫、國防部制定鼓勵國內關鍵礦物開發撥款計畫(每年5千萬美元)、成立聯邦特許公司以降低可能從含有放射性元素礦物中提取REE的成本。

獨特性質可發光

受益於REE具有獨特的電子軌域、電子能階、接近100%的內量子效率特性,使REE發光材料具有從紫外光(UV)到近紅外光(NIR)的夢幻寬光譜區域光學,在過去三十年REE錯合物獲得很深入的探索。最初在20世紀60年代,REE發光材料就被用做螢光粉成功應用於燈管和陰極射線管一樣。(https://doi.org/10.1038/s41377-022-00956-9)

目前,將REE發光材料摻雜螢光粉、持續發光材料、上轉換材料、發光錯合物或鈣鈦礦材料後,廣泛應用於光學、光電和醫學領域,如照明、顯示、傳感、光訊儲存、節能、生物醫學造影與治療。

生物醫學也要稀土

光學案例像是在Cs₂AgInCl₆中摻雜REE,讓鹵化物雙鈣鈦礦產生可見光-近紅外(400-2000 nm)超寬帶光源LED,可以提高成本效益、使結構緊湊、光學性能優異和穩定性極長和多功能照明應用。另外一個例子,是在REE摻雜上轉換材料可以避免背景和雜散光干擾,成為光學測溫儀替代品。

在腦部造影、治療、監測和神經調節的設計和應用上,REE因具有獨特的光學特性、優異磁性和高X射線吸收係數,在生物醫學,特別是疾病診斷和治療上深具潛力。NIR可以穿透顱骨,是診斷和治療腦部疾病的潛在醫學平台;而具有良好血腦屏障(BBB)滲透性的Nd³⁺摻雜奈米治療劑,則可用於原位膠質瘤的雙模造影和音波動力治療。