科普 | 铟的发现及生产应用

01简介

铟是一种化学元素，符号为 In，原子序数 49。铟是碱金属除外最柔软的金属，外观如锡般呈银白色，它是一种后过渡金属，在地壳中的成分占 0.21ppm(百万分率)。铟的熔点比钠和镓高，但低于锂和锡。化学上，铟类似镓和铊，其性质主要介于两者之间。铟在 1863 年由斐迪南·赖希和希罗尼穆斯·特奥多尔·里赫特透过光谱方法发现，他们因为其靛蓝色的谱线而如此命名，隔年，铟才被分离出来。

铟是硫化锌矿石的次要成分，且为锌精炼的副产物。它主要运用在半导体工业、低熔点金属合金如焊料、软金属高真空密封垫以及制造涂覆在玻璃上的透明氧化铟锡(ITO)导电膜。因此铟是一种科技关键元素。

02铟的发现简史

铟元素是在1863年由德国的赖希和李希特，用光谱法研究闪锌矿时发现的。

铟的发现要归功于元素铊的发现，在铊被发现和取得后，德国弗赖贝格(Freiberg)矿业学院物理学教授赖希由于对铊的一些性质感兴趣，希望得到足够的金属进行实验研究。他在1863年开始在夫赖堡希曼尔斯夫斯特(Himmelsfüst)出产的锌矿中寻找这种金属。这种矿石所含主要成分是含砷的黄铁矿、闪锌矿、辉铅矿、硅土、锰、铜和少量的锡、镉等。赖希认为其中还可能含有铊。虽然实验花费了很多时间，但他却没有获得期望的元素。然而他得到了一种不知成分的草黄色沉淀物，并认为是一种新元素的硫化物。

只有利用光谱进行分析来证明这一假设。可是赖希是色盲，只得请求他的助手H.T.李希特进行光谱分析实验。李希特在次实验就成功了，他在分光镜中发现一条靛蓝色的明线，位置和铯的两条蓝色明亮线不相吻合，就从希腊文中"靛蓝"(indikon)一词命名它为indium(铟)。两位科学家共同署名发现铟的报告。分离出金属铟还是他们二者共同完成的。他们首先分离出铟的氯化物和氢氧化物，利用吹管在木炭上还原成金属铟，于1867年在法国科学院展出。

03生产

铟在加工其他金属矿物时作为副产物。它的主要来源是硫化锌矿，硫化锌矿主要存在于闪锌矿中少量可能从硫化铜矿物中提取。在锌冶炼的焙烧--电解提取的过程中，铟会聚集在富含铁的残余物中。铟可从上述方式中提取，也可以直接从过程产生的溶液还原并通过电解进一步地纯化。确切的过程因冶炼厂的运作方式而异。

铟的生产受到每年提取的硫化锌（和铜）矿物数量的限制（因为铟是副产物）。因此，需要根据供应潜力来衡量其可用性。副产物的供应潜力定义为在当前市场条件下（技术和价格）每年从其主体材料中商业化提取的量 。副产品不需考量存量和来源，因为它不能独立于主要产品中提取。最近的估计显示，铟的供应潜力至少有 1,300吨/年是来自硫化锌矿石以及 20 公吨/年来自硫化铜矿石 。这些数字远远高于目前的产量（2016 年为 655 公吨） ，因此，在不显著增加生产成本或价格的情况下，未来铟的副产品可能增加产量。 2016年铟的平均价格为240美元/公斤，低于2014年的705美元/公斤。

中国是铟的主要生产国（2019 年为 300 吨），其次是韩国（240 吨），日本（75 吨）和加拿大（60 吨）。

04应用

1924年，人们发现铟具有稳定有色金属的重要特性，成为铟的首要用途。次大规模应用是在第二次世界大战期间，在高性能飞机的发动机中涂覆轴承，以防止损坏和腐蚀（已非现今主要用途）。人们在易熔合金、焊料和电子产品中发现铟的新用途。在1950年代，铟的微小珠子用于 PNP 合金结晶体管的发射极和集电极。在1980年代中后期，用于液晶显示器（LCD）的磷化铟半导体和氧化铟锡（ITO）薄膜的发展引起人们的极大兴趣。到1992年，薄膜应用已成为铟的用途。

氧化铟 In2O3 (III)和氧化铟锡（ITO）用作导电发光板中玻璃基板上的透明导电涂层。氧化铟锡用作低压钠蒸汽灯中的滤光器。红外辐射被反射回灯中，可提高灯管内的温度并改善灯的性能。 铟有许多与半导体相关的应用。一些铟化合物，如锑化铟和磷化铟，是有用的半导体。一种常用于半导体的铟化物是三甲基铟（TMI），三甲基铟也用作 II-VI价化合物半导体中的半导体掺杂剂。 InAs 和 InSb 用于低温晶体管，InP 用于高温晶体管 。化合物半导体 InGaN 和 InGaP 用于发光二极管（LED）和激光二极管。铟在光伏电池中作为半导体铜铟镓硒半导体（CIGS），光伏电池也称为 CIGS 太阳能电池（一种第二代薄膜太阳能电池）。铟用于含锗的 PNP 双极结晶体管，因为当在低温下焊接时，铟不会对锗产生影响。

铟丝在低温和超高真空应用中用作真空密封和热导体，例如作为填充间隙的垫圈 。铟是镓–铟–锡合金中的一种成分，该合金在室温下是液体，在某些温度计中取代汞。其他铟与铋、镉、铅和锡的合金，具有较高的熔点（仍然偏低，50至100°C），用于消防喷淋系统和热调节器。

铟是碱性电池中汞的一种替代品，可防止锌腐蚀和氢气产生。添加铟到一些牙科用汞合金中以降低汞的表面张力，节省汞合金用量并提高其融合性。

铟的高度补捉中子的典型特性适用于核反应堆的控制组，通常是 80％银、15％铟和 5％镉的合金。在核工程中，铟-113 和 铟-115 的 (n,n') 反应用于确定中子通量的大小。