航空航天之芯

被譽為“航空航天之芯”的錸，是一種比稀土還稀有的稀散金屬，是一種重要的戰略金屬礦產資源。為了保障我國航空、航天及軍事等領域關鍵原料的安全、爭搶技術領先和確保長遠發展，有必要深入開展錸的科學研究和技術開發，并做好錸資源的戰略儲備。

錸元素的發現

1869年，門捷列夫在剛剛發布的元素周期表中預言了這一元素的存在，當時第七族還只有一個元素——錳。由于錸在地殼中的含量實在是太低了，而且缺少單獨的礦藏，通常與其他金屬伴生，難以開采和獲取，所以很長一段時間處于“藏在深閨人未識”的狀態。一直到1925年，德國學者沃爾特·諾達克（Walter Noddack）、伊達·諾達克（Ida Noddack）、奧托·伯格（Otto Berg）才從礦石中探測到這種元素，并從660 kg輝鉬礦中提取了1 g錸，成為最后一個被發現的擁有穩定同位素的元素。1950年左右，蘇聯和美國先后實現了錸的工業化生產。

錸元素的基本性質

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

錸的化學性質穩定，對硫具有很強的親和力，高溫下與硫蒸氣反應生成二硫化錸，與氟、氯和溴反應生成鹵化物。錸不溶于鹽酸，溶于硝酸，生成高錸酸；溶于含氨的過氧化氫溶液中，生成高錸酸銨。錸的價態范圍較寬，有-1、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6和+7價，以+2、+4、+6和+7價最為常見。一般存在ReO2、ReO3、Re2O7三種穩定的氧化物，尤以ReO3較為常見。Re2O7具有強揮發性，易溶于水并形成高錸酸HReO4。

錸的特殊性質和應用

錸是地殼中最稀有的元素之一，也是極度分散的元素，人們對它的認識較晚，長期以來對錸的研究較少，了解也不夠，應用領域相對較少。

高溫合金 "20世紀中葉，噴氣式飛機迅速發展。洛克希德·馬丁公司發現渦輪溫度升高伴隨著發動機性能的提升和飛機推重比的增加，但相應地也要求渦輪葉片材料耐高溫、低蠕變、耐疲勞，還要具有優異的力學性能，否則溫度過高也會帶來葉片蠕變的問題，嚴重時甚至與機匣產生碰撞，由此，高熔點錸合金開始進入飛機發動機材料研發的視野。70年代，麥道公司將錸合金應用于F-15戰斗機的發動機渦輪葉片上，取得了很好的耐高溫、抗蠕變效果，發動機性能顯著提升。此后，F-22和F-35戰斗機繼續將錸合金用于發動機葉片和燃燒室，進一步提升了發動機的推力和性能。美國宇航局將錸合金應用在火箭發動機的尾噴管，在2 200 ℃高溫下，反復烘烤10萬次而不產生熱疲勞。再往后，飛船、火箭和超音速飛機的發動機甚至導彈隔熱屏也都采用了錸合金，由此錸被譽為改變航空、航天產業的金屬材料。

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構和機械特性，極大地提高其耐高溫性能。錸高溫合金可用于飛機、火箭的燃燒室、渦輪葉片、排氣噴嘴、噴射引擎以及火力發電機、燃氣輪機的核心部件，用作核聚變反應爐的內壁材料、原子能反應堆結構材料、空間站核反應堆材料，是航空、航天、核能源及軍事領域的尖端技術，在現代工業中大展身手。

錸鎢合金具有良好的可塑性，在退火時延展性很高，高溫下也十分穩定，可用作熱電偶，測量高達3 000 ℃的溫度，在廣泛的溫度范圍內具有良好的線性范圍。錸和鎢的原子量和熔點都很高，錸鎢合金能夠抵抗持續的電子撞擊，可用作輻射防護罩。錸鎢合金被高速電子束照射時可以產生X射線，常被用作醫用X射線管的X射線發生源以及磁控濺射。

錸和鎢一樣熔點高、蒸氣壓低、穩定性好，但又不象鎢絲那樣易脆，具有較高抗沖擊與振動性能，適用于電子工業，特別是真空及振動場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、質譜儀、聲譜儀、電離壓力計及彩電的快速啟動用加熱器等，具有出色的工作性能和使用壽命。錸有高電子發射性能，廣泛應用于收音機、電視機以及真空技術。錸鎢合金的陰極射線管比單獨的鎢具有更長的壽命周期。

耐腐蝕涂層 "錸具有高度的物理穩定性和化學穩定性，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、化工以及其他環境苛刻的場所。

催化劑 "錸的電子結構中未飽和4d層的5個電子易于失去，而6s層的2個電子又易于參與共價鍵的生成，再加上其晶格參數較大等特性，故錸及其化合物具有優異的催化活性，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程中能夠提高石腦油的辛烷值，用于生產無鉛、高辛烷的汽油，也可用作凈化汽車尾氣。在礬土表面涂上錸，可作為烯烴復分解反應的催化劑。高價錸配合物可用于硅烷的催化產氫。含錸催化劑可避免氮、硫和磷的催化劑中毒現象，在工業氫化反應中尤為有用。總之，錸的合金、氧化物、硫化物及許多化合物、配合物或復合物在加氫、脫氫、氧化、還原、合成、降解等許多反應中表現出良好的催化性能和工業應用前景。研究發現，ReS2和MoS2一起作為輔助催化劑，能夠促進CdS對水的光催化產氫。也有報道將錸配合物應用于電化學或光化學還原CO2生成CO、甲酸或草酸。

醫學納米診療與藥物 "錸具有很強的配位能力，與卟啉、吡咯、吡啶、苯并三唑、CO等許多分子或結構形成各種配合，并表現出不同的性質。1983年，一種新型錸配合物的抗癌活性被報道，此后三羰基錸等各種錸配合物的抗癌、抗菌、發光與影像等性能與應用成為當前研究的熱點。在500 nm 以上波長的光波照射下，錸的二吡啶酸配合物在近紅外區具有長壽命的三重態發光特性，對單線態氧的生成具有光敏催化作用，有望在光動力治療方面發揮作用。利用放射性錸合成的配合物甚至可以實現放射性診斷和治療的一體化。上海市東方醫院采用中法兩國科學家發明的“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合體送入腫瘤部位，組合放療和藥療技術實現腫瘤細胞和組織的消亡。利用錸-188標記依替膦酸鹽的親骨性，使之參與骨鹽代謝，并濃聚于腫瘤骨轉移灶，對多種腫瘤骨轉移疼痛都有較好的療效。錸作為一種具有高原子序數的金屬，我國學者制備的聚乙二醇化錸納米團簇具有高光熱轉換效率和高X射線衰減能力，表現出優異的腫瘤光熱消融能力和更高的CT增強性能，在腫瘤診斷和臨床治療方面具有潛在的應用。

新材料 "一些錸的新材料正在被積極地研發，特別是二硼化錸、碳化錸超硬材料引起了人們的關注。金剛石之所以是世界上最硬的材料，是因為其碳原子之間具有極短的強共價鍵。早在2007年，美國學者合成了二硼化錸，由于錸原子和硼原子之間的短共價鍵強作用，以波紋狀共價結合硼層，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，顯微硬度高達 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，還具有良好的燒結性能。2019年，德國學者采用金剛石砧壓槽技術，用錸和氮氣反應制得新的材料，具有超級不可壓縮性和硬度，原因在于具有高價電子密度的錸和氮原子之間形成的短而牢固的共價鍵。相信隨著量化技術的突破，這種材料在切削工具、鉆探鉆頭、耐磨涂層等工業領域將發揮重要的作用。

錸的礦產資源與利用

錸在地殼中的豐度為10-9左右，大致與鉑的含量相當，約為黃金的1/3，比所有的稀土元素都低，是一個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，很難單獨開采利用。具有經濟價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，是錸的主要來源。1994年俄羅斯在伊圖魯普島上發現了儲量豐富的輝錸礦（ReS2/ReS3），樣本分析結果含76% ～ 78%的錸，成為世界上首次發現的具有工業價值的獨立純錸礦藏。

全球錸資源總量約為2 500噸，其中智利的錸儲量為1 300噸，幾乎占到一半，也是世界上最大的錸供應國。其余錸的礦產資源主要分布在美國、俄羅斯、哈薩克斯坦、中國、波蘭、亞美尼亞、秘魯以及加拿大等國家。我國錸資源的儲量不到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。有報道稱陜西洛南錸儲量達到176噸，約占全球儲量的7%，僅次于智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。

作為一種戰略物資，錸在飛機、火箭等航空、航天、軍事等領域具有重要的應用。全球超過80%的錸應用在高溫合金，特別是航空發動機上，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動機生產商對錸的消耗量約占全球的70%。近幾年世界上錸總的年消費量達到了50噸，主要消費國家是美國、西歐、日本、俄羅斯等。特別是美國，壟斷性控制著錸金屬全球銷售市場，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、墨西哥等國簽訂了長期供貨協議。美國每年錸消費量大約在20多噸，同時還預見性地對錸進行了戰略儲備。

我國錸資源總量不算豐富，產量也不高，每年兩噸左右。隨著我國航空航天技術的快速發展，對錸的需求量將會大大提高。成都航宇超合金技術有限公司與湖南有色研究院通力合作，僅用一年多的時間就實現了錸的提純，并生產出合格的錸單晶葉片。中國已將錸涂層應用于航天器的表面，以抵御往返太空時與大氣層劇烈摩擦所產生的高溫。為了避免受制于他人的錸壟斷，中國應提早做好錸資源的戰略儲備，大力推動錸的生產、加工和應用方面的科學研究、技術開發及產業進步。與此同時，作為一個較晚發現的元素，我們對它的了解仍然相當有限，應大力開展對錸的基本理化性質及其相關應用的研究。特別要關注錸元素在生物醫學領域的應用研究，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機理，在藻類、植物、動物等生命體中的循環、富集以及對人類健康的影響。