被譽(yù)為“航空航天之芯”的錸，是一種比稀土還稀有的稀散金屬，是一種重要的戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)資源。為了保障我國(guó)航空、航天及軍事等領(lǐng)域關(guān)鍵原料的安全、爭(zhēng)搶技術(shù)領(lǐng)先和確保長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，有必要深入開(kāi)展錸的科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，并做好錸資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

錸元素的發(fā)現(xiàn)

1869年，門捷列夫在剛剛發(fā)布的元素周期表中預(yù)言了這一元素的存在，當(dāng)時(shí)第七族還只有一個(gè)元素——錳。由于錸在地殼中的含量實(shí)在是太低了，而且缺少單獨(dú)的礦藏，通常與其他金屬伴生，難以開(kāi)采和獲取，所以很長(zhǎng)一段時(shí)間處于“藏在深閨人未識(shí)”的狀態(tài)。一直到1925年，德國(guó)學(xué)者沃爾特·諾達(dá)克（Walter Noddack）、伊達(dá)·諾達(dá)克（Ida Noddack）、奧托·伯格（Otto Berg）才從礦石中探測(cè)到這種元素，并從660 kg輝鉬礦中提取了1 g錸，成為最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的擁有穩(wěn)定同位素的元素。1950年左右，蘇聯(lián)和美國(guó)先后實(shí)現(xiàn)了錸的工業(yè)化生產(chǎn)。

錸元素的基本性質(zhì)

錸元素的名稱Rhenium源自萊茵河的拉丁文Rhenus，化學(xué)符號(hào)縮寫為Re，原子序數(shù)為75，電子排布為[Xe]4f145d56s2，在元素周期表中是第六周期第七族過(guò)渡金屬，相對(duì)原子質(zhì)量為186.207。單質(zhì)錸是一種銀白色的金屬，具有六角密排晶體結(jié)構(gòu)，密度21.04 g/cm3、在元素中位列第四，僅次于鋨、銥和鉑；有極好的熱穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)3 186 ℃，位列第三，僅次于鎢和碳；沸點(diǎn)5 596 ℃，位居所有元素的首位；彈性模量?jī)H次于銥和鋨，在較廣的溫度范圍內(nèi)具有較高的電阻。

錸的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)硫具有很強(qiáng)的親和力，高溫下與硫蒸氣反應(yīng)生成二硫化錸，與氟、氯和溴反應(yīng)生成鹵化物。錸不溶于鹽酸，溶于硝酸，生成高錸酸；溶于含氨的過(guò)氧化氫溶液中，生成高錸酸銨。錸的價(jià)態(tài)范圍較寬，有-1、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6和+7價(jià)，以+2、+4、+6和+7價(jià)最為常見(jiàn)。一般存在ReO2、ReO3、Re2O7三種穩(wěn)定的氧化物，尤以ReO3較為常見(jiàn)。Re2O7具有強(qiáng)揮發(fā)性，易溶于水并形成高錸酸HReO4。

錸的特殊性質(zhì)和應(yīng)用

錸是地殼中最稀有的元素之一，也是極度分散的元素，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)較晚，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)錸的研究較少，了解也不夠，應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較少。

高溫合金 "20世紀(jì)中葉，噴氣式飛機(jī)迅速發(fā)展。洛克希德·馬丁公司發(fā)現(xiàn)渦輪溫度升高伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升和飛機(jī)推重比的增加，但相應(yīng)地也要求渦輪葉片材料耐高溫、低蠕變、耐疲勞，還要具有優(yōu)異的力學(xué)性能，否則溫度過(guò)高也會(huì)帶來(lái)葉片蠕變的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至與機(jī)匣產(chǎn)生碰撞，由此，高熔點(diǎn)錸合金開(kāi)始進(jìn)入飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料研發(fā)的視野。70年代，麥道公司將錸合金應(yīng)用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上，取得了很好的耐高溫、抗蠕變效果，發(fā)動(dòng)機(jī)性能顯著提升。此后，F(xiàn)-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)繼續(xù)將錸合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和燃燒室，進(jìn)一步提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和性能。美國(guó)宇航局將錸合金應(yīng)用在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管，在2 200 ℃高溫下，反復(fù)烘烤10萬(wàn)次而不產(chǎn)生熱疲勞。再往后，飛船、火箭和超音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)甚至導(dǎo)彈隔熱屏也都采用了錸合金，由此錸被譽(yù)為改變航空、航天產(chǎn)業(yè)的金屬材料。

作為一種高溫難熔金屬，錸及其合金具有良好的塑性、機(jī)械性和抗蠕變性能，而且還抗腐、耐磨、耐高溫。在鎢、鉬、鉻等金屬中加入少量的錸能夠影響其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性，極大地提高其耐高溫性能。錸高溫合金可用于飛機(jī)、火箭的燃燒室、渦輪葉片、排氣噴嘴、噴射引擎以及火力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件，用作核聚變反應(yīng)爐的內(nèi)壁材料、原子能反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料、空間站核反應(yīng)堆材料，是航空、航天、核能源及軍事領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)中大展身手。

錸鎢合金具有良好的可塑性，在退火時(shí)延展性很高，高溫下也十分穩(wěn)定，可用作熱電偶，測(cè)量高達(dá)3 000 ℃的溫度，在廣泛的溫度范圍內(nèi)具有良好的線性范圍。錸和鎢的原子量和熔點(diǎn)都很高，錸鎢合金能夠抵抗持續(xù)的電子撞擊，可用作輻射防護(hù)罩。錸鎢合金被高速電子束照射時(shí)可以產(chǎn)生X射線，常被用作醫(yī)用X射線管的X射線發(fā)生源以及磁控濺射。

錸和鎢一樣熔點(diǎn)高、蒸氣壓低、穩(wěn)定性好，但又不象鎢絲那樣易脆，具有較高抗沖擊與振動(dòng)性能，適用于電子工業(yè)，特別是真空及振動(dòng)場(chǎng)所的電子器件或燈絲。摻雜3%到20%錸的鎢合金廣泛用于閃光燈、質(zhì)譜儀、聲譜儀、電離壓力計(jì)及彩電的快速啟動(dòng)用加熱器等，具有出色的工作性能和使用壽命。錸有高電子發(fā)射性能，廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、電視機(jī)以及真空技術(shù)。錸鎢合金的陰極射線管比單獨(dú)的鎢具有更長(zhǎng)的壽命周期。

耐腐蝕涂層 "錸具有高度的物理穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，常常作為涂層覆蓋于各種金屬材料的表面，可以抵抗酸、堿、海水以及硫化物的侵蝕，可以用于海洋、化工以及其他環(huán)境苛刻的場(chǎng)所。

催化劑 "錸的電子結(jié)構(gòu)中未飽和4d層的5個(gè)電子易于失去，而6s層的2個(gè)電子又易于參與共價(jià)鍵的生成，再加上其晶格參數(shù)較大等特性，故錸及其化合物具有優(yōu)異的催化活性，特別是石油化工催化劑是錸的主要用途之一。錸鉑催化劑在催化石油重整過(guò)程中能夠提高石腦油的辛烷值，用于生產(chǎn)無(wú)鉛、高辛烷的汽油，也可用作凈化汽車尾氣。在礬土表面涂上錸，可作為烯烴復(fù)分解反應(yīng)的催化劑。高價(jià)錸配合物可用于硅烷的催化產(chǎn)氫。含錸催化劑可避免氮、硫和磷的催化劑中毒現(xiàn)象，在工業(yè)氫化反應(yīng)中尤為有用?？傊?，錸的合金、氧化物、硫化物及許多化合物、配合物或復(fù)合物在加氫、脫氫、氧化、還原、合成、降解等許多反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能和工業(yè)應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)，ReS2和MoS2一起作為輔助催化劑，能夠促進(jìn)CdS對(duì)水的光催化產(chǎn)氫。也有報(bào)道將錸配合物應(yīng)用于電化學(xué)或光化學(xué)還原CO2生成CO、甲酸或草酸。

醫(yī)學(xué)納米診療與藥物 "錸具有很強(qiáng)的配位能力，與卟啉、吡咯、吡啶、苯并三唑、CO等許多分子或結(jié)構(gòu)形成各種配合，并表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。1983年，一種新型錸配合物的抗癌活性被報(bào)道，此后三羰基錸等各種錸配合物的抗癌、抗菌、發(fā)光與影像等性能與應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在500 nm 以上波長(zhǎng)的光波照射下，錸的二吡啶酸配合物在近紅外區(qū)具有長(zhǎng)壽命的三重態(tài)發(fā)光特性，對(duì)單線態(tài)氧的生成具有光敏催化作用，有望在光動(dòng)力治療方面發(fā)揮作用。利用放射性錸合成的配合物甚至可以實(shí)現(xiàn)放射性診斷和治療的一體化。上海市東方醫(yī)院采用中法兩國(guó)科學(xué)家發(fā)明的“納米槍”治療肺癌患者，利用智能藥物載體將放射性錸-188與抗癌藥物硝基咪唑的結(jié)合體送入腫瘤部位，組合放療和藥療技術(shù)實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞和組織的消亡。利用錸-188標(biāo)記依替膦酸鹽的親骨性，使之參與骨鹽代謝，并濃聚于腫瘤骨轉(zhuǎn)移灶，對(duì)多種腫瘤骨轉(zhuǎn)移疼痛都有較好的療效。錸作為一種具有高原子序數(shù)的金屬，我國(guó)學(xué)者制備的聚乙二醇化錸納米團(tuán)簇具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和高X射線衰減能力，表現(xiàn)出優(yōu)異的腫瘤光熱消融能力和更高的CT增強(qiáng)性能，在腫瘤診斷和臨床治療方面具有潛在的應(yīng)用。

新材料 "一些錸的新材料正在被積極地研發(fā)，特別是二硼化錸、碳化錸超硬材料引起了人們的關(guān)注。金剛石之所以是世界上最硬的材料，是因?yàn)槠涮荚又g具有極短的強(qiáng)共價(jià)鍵。早在2007年，美國(guó)學(xué)者合成了二硼化錸，由于錸原子和硼原子之間的短共價(jià)鍵強(qiáng)作用，以波紋狀共價(jià)結(jié)合硼層，二硼化錸的硬度僅次于金剛石，和位列硬度第二的氮化硼相當(dāng)，顯微硬度高達(dá) 40.5 GPa。而且與金剛石、氮化硼相比，二硼化錸不需要在高壓下合成，還具有良好的燒結(jié)性能。2019年，德國(guó)學(xué)者采用金剛石砧壓槽技術(shù)，用錸和氮?dú)夥磻?yīng)制得新的材料，具有超級(jí)不可壓縮性和硬度，原因在于具有高價(jià)電子密度的錸和氮原子之間形成的短而牢固的共價(jià)鍵。相信隨著量化技術(shù)的突破，這種材料在切削工具、鉆探鉆頭、耐磨涂層等工業(yè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。

錸的礦產(chǎn)資源與利用

錸在地殼中的豐度為10-9左右，大致與鉑的含量相當(dāng)，約為黃金的1/3，比所有的稀土元素都低，是一個(gè)極為稀少甚至貧乏的元素。錸通常微量、稀散地伴生于鉬、銅、鉛、鋅等礦物中，很難單獨(dú)開(kāi)采利用。具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的含錸礦物為輝鉬礦、鉬精礦和銅精礦，其中輝鉬礦的錸含量在0.001% 到 0.031%之間，是錸的主要來(lái)源。1994年俄羅斯在伊圖魯普島上發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量豐富的輝錸礦（ReS2/ReS3），樣本分析結(jié)果含76% ～ 78%的錸，成為世界上首次發(fā)現(xiàn)的具有工業(yè)價(jià)值的獨(dú)立純錸礦藏。

全球錸資源總量約為2 500噸，其中智利的錸儲(chǔ)量為1 300噸，幾乎占到一半，也是世界上最大的錸供應(yīng)國(guó)。其余錸的礦產(chǎn)資源主要分布在美國(guó)、俄羅斯、哈薩克斯坦、中國(guó)、波蘭、亞美尼亞、秘魯以及加拿大等國(guó)家。我國(guó)錸資源的儲(chǔ)量不到300噸，主要分布在陜西、黑龍江、河南、湖南、湖北、遼寧、廣東、貴州等地。有報(bào)道稱陜西洛南錸儲(chǔ)量達(dá)到176噸，約占全球儲(chǔ)量的7%，僅次于智利、美國(guó)、俄羅斯和哈薩克斯坦。

作為一種戰(zhàn)略物資，錸在飛機(jī)、火箭等航空、航天、軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。全球超過(guò)80%的錸應(yīng)用在高溫合金，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，僅通用電氣、羅爾斯-羅伊斯、普拉特·惠特尼世界三大航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商對(duì)錸的消耗量約占全球的70%。近幾年世界上錸總的年消費(fèi)量達(dá)到了50噸，主要消費(fèi)國(guó)家是美國(guó)、西歐、日本、俄羅斯等。特別是美國(guó)，壟斷性控制著錸金屬全球銷售市場(chǎng)，一方面擁有全球最大的錸生廠商——鉬金屬公司，另外還與智利、波蘭、哈薩克斯坦、墨西哥等國(guó)簽訂了長(zhǎng)期供貨協(xié)議。美國(guó)每年錸消費(fèi)量大約在20多噸，同時(shí)還預(yù)見(jiàn)性地對(duì)錸進(jìn)行了戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

我國(guó)錸資源總量不算豐富，產(chǎn)量也不高，每年兩噸左右。隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)錸的需求量將會(huì)大大提高。成都航宇超合金技術(shù)有限公司與湖南有色研究院通力合作，僅用一年多的時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了錸的提純，并生產(chǎn)出合格的錸單晶葉片。中國(guó)已將錸涂層應(yīng)用于航天器的表面，以抵御往返太空時(shí)與大氣層劇烈摩擦所產(chǎn)生的高溫。為了避免受制于他人的錸壟斷，中國(guó)應(yīng)提早做好錸資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備，大力推動(dòng)錸的生產(chǎn)、加工和應(yīng)用方面的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。與此同時(shí)，作為一個(gè)較晚發(fā)現(xiàn)的元素，我們對(duì)它的了解仍然相當(dāng)有限，應(yīng)大力開(kāi)展對(duì)錸的基本理化性質(zhì)及其相關(guān)應(yīng)用的研究。特別要關(guān)注錸元素在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，尤其是在重大疾病診斷、治療等方面的作用。也要深入研究錸在自然界中的循環(huán)機(jī)理，在藻類、植物、動(dòng)物等生命體中的循環(huán)、富集以及對(duì)人類健康的影響。