小金属，大用途——听我给你讲“钴”事

　　小金属，大用途——听我给你讲“钴”事

　　钴是新一轮找矿突破战略的目标矿种之一，或许很多人对这种化学元素和矿产并不熟悉，但是它以各种方式融入我们的生产生活，它被人类利用的历史也很悠久，今天就让我给大家讲讲“钴”（故）事。

　　人类艺术发展史中的精彩“钴”事

　　钴在人类生活中的应用至少有3000多年的历史。古罗马和古希腊人曾用钴的化合物制作深蓝色玻璃。同一时期，在中国唐朝唐三彩器物中，彩色瓷器上的蓝色就是以含钴矿物作为着色颜料，在古埃及图坦卡蒙法老的坟墓中发现了一块用钴的化合物染成深蓝色的玻璃器物。

　　青花瓷是我国古代瓷器的经典代表，成熟的青花瓷出现在元代景德镇，到明代，青花瓷成为瓷器的主流。青花瓷上的“青花”就是以钴料（含氧化钴）为原料，在瓷坯上描绘图案，再罩上透明釉，经高温烧制后而成。

　　钴蓝是一种带绿光的蓝色粉末，从19世纪开始逐渐成为蓝色颜料的重要成员。因其耐热、耐光、耐腐蚀且颜色鲜亮独特，深受欧洲后印象派画家的喜爱，如梵高的著名油画《星月夜》就是用钴蓝绘画的蓝色夜空。

　　摆脱恶名及正式“入队”的“钴”事

　　钴的英文名为“Cobalt”，来源于德文的“Kobold”，意为“恶魔、坏精灵”。1733年，在德国萨克森州的一座银铜矿开采过程中，矿工们发现了一种外表类似于银的矿石，他们便拿来冶炼，没想到在此过程中有很多工人因此而丧命，当时人们认为这是“恶魔”在作祟。由于这个历史缘故，钴被赋予了“恶魔”之名。后来科学家研究发现，这种银白色的矿石主要成分是辉砷钴矿（CoAsS)，该矿物在高温下会释放出含有砷的有毒气体，这才是造成工人死亡的元凶。自此钴才逐渐摆脱了“恶魔”的罪名，但“恶魔”的叫法却沿用至今。

　　1753年，瑞典化学家布兰特从辉钴砷矿中分离出银灰色带有浅玫瑰色的金属，是纯度较高的钴。因此布兰特被人们认为是钴的发现者。1780年，瑞典化学家伯格曼在实验室也提纯得到纯度较高的钴，并确定为金属元素。1789年，法国著名化学家拉瓦锡首次将钴列入元素周期表中。钴元素符号Co，原子序数27，相对原子量58.93，密度8.9g/cm3，硬度5.6，熔点1495℃，沸点2870℃，为银白色金属，具有铁磁性、延展性。在硬度、抗拉强度、机械加工性能等方面与铁和镍相似，钴基合金和含钴合金具有较好的耐热性、耐磨损、抗腐蚀性，广泛应用于工业生产中。

　　德国和挪威是最早生产钴的两个国家，初期只是少量生产，不成规模，1874年新喀里多尼亚才开始开发钴矿，1903年至1909年加拿大开始大量开发钴矿，使钴的世界产量由16吨增至1553吨。1920年刚果金加丹加省铜钴矿开发后，其钴的产量一直位于世界首位，赞比亚钴产量居世界第二位。1933年摩洛哥开始从事砷钴矿的开发利用，成为世界第三大钴生产国。钴在我国的生产利用起步较晚。1954年，沈阳冶炼厂以锌钴渣为原料生产钴，自此拉开了我国钴生产的序幕。该厂通过还原溶解、氧化沉淀产出含钴30%～40%的氢氧化钴，再经焙烧、电炉熔炼、电解精炼得到金属钴。1958年，地质学家在甘肃金昌市发现了金川镍矿，是中国三大多金属共生矿之一，以镍矿为主，伴生有钴、铜等，其中镍、钴产量为中国第一，钴产量占全国总产量的70%以上，成为我国重要的钴生产基地。

　　极为稀有却又无处不在的“钴”事

　　钴的分布广泛，在铁、镍、铜等矿石中都含有微量的钴，天然水、泥土、植物中也发现有钴的踪迹，独立的钴矿物极为少见，在地壳中含量仅为0.0023%，所以钴是一种非常稀缺的小金属资源。

　　钴在自然界中主要以三种形式存在：一是含有钴的独立矿物，如辉砷钴矿、硫钴矿、钴华等矿物，这类矿物中钴元素含量最高；二是“镶嵌”在黄铁矿、磁黄铁矿等硫化物晶体结构中的钴；三是以钴离子状态吸附在某些矿物表面，其中以第二种存在形式最为普遍。地球上已发现的含钴矿物约有100多种，主要的钴矿物有硫钴矿、纤维柱石、辉砷钴矿、砷钴矿、钴华等。

　　钴多以伴生的形式存在于其他金属矿床中，主要在砂岩型铜矿床、岩浆型铜镍矿床和红土型镍矿床中，钴资源储量中镍钴伴生占50%，铜钴伴生占44%，原生钴仅占6%。根据美国地质调查局(USGS）数据显示，2020年全球钴资源储量约为700万吨，刚果（金）是最大的资源国，钴资源储量360万吨，约占全球总储量的50%；其次是澳大利亚，钴资源储量140万吨，占比约为20%。中国钴资源储量少，资源的缺乏使中国每年需要大量进口来满足自身的需求。

　　大显神通的“钴”事

　　目前，钴主要用于制造磁性材料、超级合金、航天器、电池材料等，同时在医疗行业也有广泛使用。

　　磁性材料是重要的功能性材料，在电子工业和高科技制造领域有着非常重要的作用。钴是只需磁化一次就能长久保持磁性的金属之一。在热作用下，失去磁性的温度叫做居里点，铁的居里点为769℃，而钴可达1150℃。在相同环境下，含钴的磁性材料能保持较为稳定的磁性，因此被大量应用于高性能磁性材料的制造。钴具有很好的耐高温、耐腐蚀性，是制造优质合金的重要材料。刀具钢中含有一定量的钴可以明显提高刀的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的合金在1000℃下还能保持原有的硬度，是制造高温喷气式发动机、航空涡轮发动机、汽轮机的重要材料，广泛应用于航空航天和国防现代化建设中。

　　1979年钴酸锂电池诞生，钴首次应用在了充电电池领域。因为它优秀的安全性，被广泛应用在智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能穿戴设备、储能设备和电动自行车上，从而开启了一个全新的时代。近些年随着新能源汽车行业的蓬勃发展，电池技术不断实现突破，大家所熟知的三元锂电池广泛应用于新能源汽车领域，钴是该电池正极核心材料之一。

　　钴在医疗领域中也有广泛应用，钴的放射性同位素钴60(60Co）常作为放射源治疗癌症，现阶段钴60治疗机已成为我国肿瘤放疗的重要设备之一。在青霉素中加入适量的钴，可以提高其疗效，在人工关节材料和牙料填充剂中，也会用到钴。此外，钴也是人体所必需的微量元素之一，成年人体内大约含有1.1毫克，广泛分布于全身，它是维生素B12的重要组成部分，可帮助人体产生红细胞。人体缺乏钴会导致食欲不振、恶性贫血、乏力等症状。当然，人体若摄入过量的钴也会引起钴中毒，会引发红细胞过多症、甲状腺增生、神经性耳聋等。

　　随着新能源汽车的不断普及，电子产品的产量不断增长，电池领域成为钴消费增长最快的领域。2021年全球钴消费总量约17.5万吨，其中电池领域占比66%，位居第一。

　　根据安泰科统计，2021年中国钴的消费量约11.5万吨，其中电池领域占比87%，位居第一；硬质合金占比4%，位居第二；陶瓷占比3%，位居第三。中国钴的消费总量约占全球总消费量的66%，是名副其实的钴消费第一大国。

　　保障资源安全和倡导循环利用的“钴”事

　　随着世界科技进步，钴在现代工业体系中发挥着不可替代的作用。美国和欧盟都将钴列入影响国家和地区安全及未来经济发展的关键矿产和材料清单，我国也将钴列为战略性矿产名录。为保障国内工业生产和国防建设需求，目前自然资源部已全面启动新一轮找矿突破战略行动，重点围绕紧缺和战略性矿产，加强国内勘查开发，加大锂、钴、镍、油气等矿产的找矿力度，全力保障国家能源资源安全。

　　随着钴的回收利用技术不断成熟，循环再利用也成为钴供给的重要途径。目前，很多资源回收企业从废旧电池中提取钴，一定程度上缓解了钴资源供给紧张的状况。一项计算显示，如果所有被消费的含钴电池都能被回收利用，那么到2030年，全球每年只需10万吨的矿山钴供应量就能满足生产需求。为更高效地进行资源回收利用，减少对自然环境的破坏，我们一定要做好垃圾分类，将废旧的含钴电池投放到电池回收桶中，这样既能避免环境污染，又能为保障国家战略安全贡献力量。

　　摘自《地球》2023年6期