2023年7月3日，商务部、海关总署在官网发布公告称，将于2023年8月1日起正式实施对镓、锗相关物项实施出口管制。镓和锗是什么金属？它们有“何德何能”受到国家如此重视？今天先一起聊一下金属镓这一元素。

01 镓的发现
镓金属是化学历史上第一个先被理论预言，后在自然界中被发现的化学元素。故事是这样的，法国化学家德布瓦博德兰（de Boisbaudran）在用光谱分析法分析元素时，发现铝和铟等硼族元素的谱线呈现相同的排列方式，并多次出现，呈现有规律的变化，进而推测铝和铟两种元素之间必定存在一种全新的元素。他从1865年开始利用光谱不断寻找这种未知的元素，在分析了许多种类的矿物之后，仍然没有找到它的踪影，仿佛它在和化学家在玩捉迷藏的游戏。终于功夫不负有心人，1868年，德布瓦博德兰收集到一块法国当地矿区的锌矿石，他把锌矿石溶于过量的盐酸中，然后加入一些锌金属，结果在锌金属的表面有沉积物产生，他把这种沉积物放在氢氧焰上灼烧，找到了这种元素的两条稳定的紫色光谱线。他又用了七年的时间，最终在1875年确认这种全新的元素，并且于同年通过电解其氢氧化物得到这种新金属。他用法国的拉丁文名称高卢（Gallia）一词来命名这一新元素，将其叫做Gallium，元素符号为Ga，中文名镓。
其实在德布瓦博德兰发现镓之前，著名的俄国化学家门捷列夫（Менделеев）就在1871年预测了这种元素，认为它应该占据元素周期表铝元素和铟元素之间的位置，并且推测它的原子量大约是68，密度大约是5.9 g/cm³，其理化性质与铝应该相似，他称这种元素为“类铝”。值得一提的是有趣的事发生了。德布瓦博德兰在测定其制取的镓金属比重和其他一些物理性质并发表在《巴黎科学院院报》上后，收到了门捷列夫的来信，门捷列夫认为镓的比重不对，不应该是4.7 g/cm³，而应该是5.9~6 g/cm³。之后法国科学家重新对镓进行了清理，在剔除杂质后又重新测定了镓的比重，最终结果为5.94 g/cm³，这与门捷列夫的推测基本吻合。这一奇妙的结果从另一个侧面证实了门捷列夫元素周期律的准确性和重大科学意义。
02 镓的性质

镓元素（Ga）是元素周期表上第四周期IIIA族金属，原子序数31，相对原子质量69.723。镓金属熔点为29.78 ℃，沸点为2403 ℃（顾学民等，1990），是自然界处于液态条件下温度范围最宽的金属元素。固体镓外观为蓝灰色，液体镓呈现银白色。镓在低温时硬而脆，而一超过室温就会熔化。镓的凝固点很低，由液态转化为固态时，膨胀率为3.1%，这一性质与水结冰体积膨胀类似。适宜存放在塑料容器之中。镓对其他金属具有极强的“腐蚀性”，被戏称为“金属的终结者”。这里的腐蚀，并不是我们理解的化学反应而是一种物理作用，镓能够与铋（Bi）、铅（Pb）、锡（Sn）、镉（Cd）、铟（In）等很多金属元素形成金属化合物或者固溶体，比如各种合金。

镓的化合价有+1价、+2价和+3价，其中+3价是镓最稳定的氧化态。镓和同族的铝以及附近的锌金属的化学性质都类似，它们均属于两性金属，既可溶于酸也可溶于碱。镓与铝一样，在干燥的空气中表面都会氧化形成薄薄的一层氧化物薄膜，从而阻止内部继续氧化，称为钝化现象，因此镓在常温和干燥环境下比较稳定。但是，在潮湿的空气中，镓金属会持续与空气中的氧发生氧化反应从而失去光泽度。在红热的干燥空气中由于表面被氧化成Ga2O而呈灰蓝色，在1000 ℃则会被全部氧化。镓与100 ℃以下的水不会发生作用，但在200 ℃的加压水蒸汽中则会被氧化。镓在冷的硝酸中同样也会发生钝化现象（表面生成Ga2O3保护膜）。镓能缓慢地溶于冷的硫酸和盐酸，较快地溶于热的硝酸、高氯酸以及浓的氢氟酸和盐酸与硝酸的混合酸。镓也易溶于浓的强碱溶液，会形成镓酸盐。镓在加热时能很快与卤素、硫等非金属元素发生反应生成相应的卤化物或硫化物。

03 镓的资源分布

镓在地壳中的丰度为0.0015%，超过了许多其他稀有金属元素。但在自然界中，镓的分布极其分散，大多以伴生矿的形式赋存，主要赋存在铝土矿、闪锌矿等矿藏之中，少量赋存于于煤矿、锡矿、钨矿当中。
根据美国地质调查局2015年发布的数据，全球铝土矿中镓的储量超过100万吨。据不完全统计，全球50%以上的镓来自铝土矿，主要分布的地区有非洲、大洋洲、南美洲、亚洲以及其他地区，分别占比32%、23%、21%、18%和6%。另有不超过40%的镓来自铅锌矿和煤矿（张丽曼等，2022）。
据中国地质科学院矿产资源研究所2020年的一份报告，目前镓的世界总储量约 23 万吨，中国的镓金属储量居世界第一，约占世界总储量的 80%~85%。根据自然资源部《2022年全国矿产资源储量统计表》，其中全国镓资源储量为28865.64吨，储量较多的省份有广西 （11974.8吨）、江西（6808.71吨）、贵州 （5074.07吨）、山西（3050.07吨）、新疆（1045.55吨）云南（427.65吨）、内蒙古（230.88吨）、河南（133.82吨）。镓是典型的稀有分散金属，按其赋存介质划分类型主要有：赋存在煤矿、沉积型铝土矿、铅锌金属矿、岩浆型钒钛磁铁矿以及少量斑岩型铜钼矿中。按省份来看，镓金属赋存在铝土矿中的省份有广西、河南、山西等省区；赋存在煤矿或锡矿中的有内蒙古、山西、云南等省区；赋存在岩浆型钒钛磁铁矿的有四川等省区；赋存在闪锌矿中的有湖南等省区。

不仅如此，中国还是全球金属镓的最大生产国，其他主要的生产国还有日本、韩国、俄罗斯、乌克兰等国，主要供应美国、欧盟、日本和韩国等发达经济体。据美国地质调查局2022年数据，我国粗镓生产量约为540吨，占当年全球粗镓产量的98%以上。

04 镓的应用与意义

金属镓的应用领域十分广泛，包括半导体材料和光学电子材料、太阳能电池、合金材料、医疗器械、磁性材料等。其中应用最多的领域就是新兴半导体行业，占到整个镓消费量的80%以上，其次为太阳能电池、医学材料、LED及光学设备等。根据美国地质调查局2021年数据，镓的最终用途可分为三类，分别是光电设备（包括激光二极管和发光二极管）、集成电路（包括光电探测器和太阳能电池）、研究与开发，其中集成电路和光电设备的占比在98%以上。

半导体材料
镓是一种低熔点高沸点的稀散金属，被誉为“电子工业的脊梁”。镓与砷和氮组成的化合物砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）都是优质的半导体材料，在光电子工业和微波通信工业中有广泛的用途，如用于制造微波通讯和集成设备元器件、红外光学与探测元器件、集成电路设备元器件、发光二极管等。其中砷化镓作为第二代半导体材料，在高频、高速、高温及抗辐照等环境条件下的微电子器件的制造中十分重要，主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）设施设备、光纤通讯设施设备、汽车电子设备中的微波元器件；在军事方面主要用于雷达、电子战争、通信等方面。氮化镓是典型的第三代半导体材料，也是目前世界上最先进的半导体材料，是新兴半导体光电产业链的核心材料和基础器件，在手机快充、5G网络通信、电源电池设备、新能源汽车、LED光源以及雷达等方面都有广泛的应用。目前，半导体行业是金属镓使用量最大的行业，约占总镓金属总使用量的80%~85%。

太阳能电池

砷化镓太阳能电池，是一种具有高耐热、耐辐射、光电转换率高等多种优秀特性的电池，常被应用到航天和军工领域。随着科技手段的提升，砷化镓太阳能电池的生产和使用成本有了大幅度降低，应用范围和速度都在不断提升。铜铟镓硒简称CIGS（含Cu10%，In28%，Ga10%，Se52%）可用于制作一种薄膜太阳能电池，这是第三代太阳能电池的代表，具有生产、安装、使用成本低，但是光电转换率高等突出优势，因而在众多太阳能电池产品中备受青睐（赵汀等，2017）。目前全球范围内，已投产或在建中的铜铟镓硒太阳光伏薄膜工厂已经超过40家，生产这种薄膜电池的镓使用量约占全球镓消费的5%。但随着CIGS生产规模和稳定性及供应链的完善与不断扩大，太阳能电池产业对金属镓的需求将会有明显增长。

合金领域

镓与铟、铊、锡、铋、锌等多种金属元素可以组成一系列的低熔点合金，这些合金可用于生产温度测控设备、仪表中的汞替代物、金属特殊涂层、电子工业及核工业中的冷却回路材料等。例如，含25%铟的铟镓合金，在16 ℃时就会熔化成液态，它可用来制作自动灭火装置的感应设备。镓与铜、镍、锡、金等可组成冷焊剂，适于难以用普通材料焊接的异型薄壁材料上，金属之间以及金属与陶瓷的冷焊接环境。镓基液态金属可被用于散热领域。在诸多主动和被动散热需求中，以液体为工作流体的散热器因散热性能优异受到了广泛的研究，其中镓基液态金属可以作为一个优秀的工作流体候选。镓基液态金属可应用于一些恶劣环境中的润滑剂。在高温、高载荷和存在电场的情况下，普通的润滑剂无法完全避免物体之间的直接接触，会导致物体表面出现磨损，镓基液态金属可以适应这种环境，保护零部件。镓基液态金属具有高导电性和流动性，不仅可以单独作为导电聚合物复合材料的导电填料，还可以作为改进导电填料的添加剂，使得导电聚合物复合材料的柔性、耐腐蚀和耐火等性能得到改善（尹富强等, 2022）。

医学应用

镓金属及其化合物还被在抗菌抑菌、生物医疗成像、医用充填材料、医疗诊断、疾病治疗等生物医学领域有广泛应用。比如，镓能够作用新型显像剂为医患提供全新的有效病症信息，目前研究较多的材料是放射性核素67和68 Ga。镓对光有很强的反射作用，液态嫁对一定波长范围的光具有高反射率，同时液态稼又能良好地粘附在玻璃的表面上，这两种性质使得镓能够制造特种光学镓镜。镓的合金可以应用到医疗器件和医用材料中，例如利用镓合金的理化性质和无毒性、无刺激性，可将其作为牙齿填充材料，可作为一种良好的牙体修复材料。铟镓合金体温计可用于医疗诊断，例如使用枸橼酸镓（67 Ga）用于肿瘤阳性显像，可用于肺、肝、脾及淋巴系统肿瘤诊断。硝酸镓能够与铁结合，阻止含铁蛋白的形成，破坏铁依赖性肿瘤细胞的生长，从而达到抑制细胞摄取铁和破坏细胞内铁稳态的目的，进而杀死肿瘤（李铁等，2022）。还有一种叫做伊索曲肽注射液（68 Ga）的药物，用来治疗胃肠胰神经内分泌肿瘤，目前已经进入三期临床试验，相信将来会有更多的镓类药物在治疗人类最大的病症癌症的道路上发挥作用。

05 镓的未来发展

随着镓被应用于各种新兴产业当中，其应用广度也在不断提升的情况下，其战略地位将更加重要。镓在欧盟、美国、日本等发达国家或地区已经被列入战略性或关键矿产目录，在我国也被列为国家战略金属目录。
我国镓矿资源丰富，在世界占有绝对优势地位。我国的镓矿占到世界镓矿的85%左右。我国是镓矿生产的主要国家，生产的粗镓占到世界粗镓产量的90%左右。我国具有资源和生产供应的绝对优势，在全球镓市场具有主导权。
我国的镓矿资源多为伴生矿种，其中大部分为铝土矿生产氧化铝的副产品，因而会受到主矿种的开采影响。铝土矿、煤矿的产量对镓矿有直接的影响，为此一方面要加强勘查、保护和储备镓矿资源，保护镓金属的产能；另一方面要加强煤矿开采、氧化铝生产过程中低品位镓提取回收技术的研究和应用，同时提高镓资源二次回收利用的水平。
我国虽然是全球金属镓的最大生产国，但生产、出口的大多为镓的初级产品，即粗镓。发达国家从我国进口粗镓，深加工成精镓再出口给我国。这让我国陷入了低价出口粗镓，高价进口精镓的尴尬境地。要加大力度发展镓深加工产业，减少对海外发达国家的依赖。加大技术研发力度，集约利用镓资源，升级镓产业链，完善高端镓产业自我生产、供给、制造、销售的全流程。
镓资源产业链目前已经成为当代科技半导体的主要方向，推动镓产业链健康发展，加强高纯镓和镓化合物生产技术研究，让中国生产的“半导体工业新粮食”喂养中国自己的新兴科技产业，助力中国科技产业腾飞。

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