研究背景:
“重磅!广期所铂、钯期货合约草案亮相”,铂、钯期货是广期所规划上市的服务绿色发展类品种板块的重要组成部分。6月28日,在2023上海铂金周暨中国铂族金属市场峰会上,广期所商品事业部有关负责人介绍了广期所铂、钯期货合约草案设计情况,并邀请业界专家、企业建言献策,以对合约进一步修改完善。
我国是全球最大的铂族金属消费市场和进口国。作为新能源、新材料行业的“维生素”,以铂金为代表的铂族金属应用日趋广泛,战略地位凸显。虽然此次披露的合约设计仍处于初期的草案阶段,但中国版铂金、钯金期货依然备受海内外市场关注。
锇
锇,是一种化学元素,其化学符号为Os,原子序数为76,原子量为190.23u。锇是一种坚硬、易碎的铂系过渡金属,具有独特的蓝白色光泽。锇是自然界中密度最高的元素,有22.59g/cm3。锇一般以痕量存在于自然中,大部分在铂矿藏的合金当中,是地壳中存量最低的稳定元素之一。锇与铂、铱及其他铂系元素形成的合金具有超强的耐用性和硬度,能用于制造钢笔笔头和电触头等。但由于锇金属坚硬易碎且熔点极高,难以塑形、加工,且在空气中容易形成具高挥发性和高毒性的四氧化锇,再加上锇本身非常稀有且昂贵,因此金属态的锇应用很少。
物理性质
锇呈蓝白色,其密度比铱稍高,是密度最高的稳定元素。从X射线散射数据计算出的密度数值最准确。这种方法得出铱的密度为22.562±0.009g/cm3,而锇的密度为22.587±0.009g/cm3。
锇金属坚硬,在高温下可保持光泽。锇的压缩性非常低,因此体积模量非常高,在395和462GPa之间,与钻石的443GPa相约。在压强为4GPa的情况下,锇的硬度也比较高。由于坚硬易碎,蒸气压低(铂系元素中最低),熔点极高(所有元素中第四高),所以固体锇很难塑形,生产过程十分困难。
化学性质
锇可以形成氧化态为−2至+8的化合物。最常见的氧化态有+2、+3、+4和+8。+8态是任何元素可达至的最高氧化态。氧化态为−1和−2的Na2[Os4(CO)13]和Na2[Os(CO)4]反应性很强,可用于合成锇的原子簇化合物。
具有主要用途的锇化合物只有两种:四氧化锇在电子显微镜照相中用以对组织染色,并在有机合成过程中作烯烃的氧化剂;不挥发的锇酸盐则用在有机氧化反应当中。
存量
锇是地球地壳中最稀有的稳定元素,在大陆地壳里的平均质量比例只有1千亿分之5。
锇在自然中以纯金属或合金的形态出现,尤其是各种比例的铱﹣锇合金。镍和铜矿藏中还含有锇和铱的硫化物、碲化物、锑化物和砷化物。与其他铂系元素一样,锇可以形成自然镍合金及铜合金。
地壳中有三种地质结构的锇含量最高:火成岩、撞击坑以及前二者演化而成的地质结构。最大的已知矿藏有南非的布什维尔德火成杂岩体、俄罗斯的诺里尔斯克及加拿大的索德柏立盆地等。美国有较小的锇矿藏。前哥伦布时期哥伦比亚乔科省居民所用的冲积层矿藏至今仍是铂系元素的一大来源。第二大的冲积层矿藏位于俄罗斯乌拉尔山脉。
生产
锇是镍和铜开采和提炼过程的副产品。在镍和铜的电解精炼过程中,金、银等贵金属、铂系元素以及硒和碲等非金属元素都会积聚在正电极上。这一泥状物质要进入溶液才可把其中的金属分离出来。具体方法取决于混合物的成分,但主要有两种:加入过氧化钠后溶于王水,或直接溶于氯和氢氯酸的混合溶液。锇、钌、铑和铱不可溶于王水,可从铂、金等金属分离开来。铑与熔化的硫酸氢钠反应后会再分离出来。剩余的物质中含有钌、锇和铱,其中铱不可溶于氧化钠。加入氧化钠会产生水溶的钌盐和锇盐,而在氧化后,这些盐会变成挥发性的RuO4和OsO4。氯化铵可将前者沉淀为(NH4)3RuCl6。
溶解后的锇要从其他铂系元素中分离出来。分离方法包括蒸馏法和用适当的有机溶剂把四氧化锇提取出来。特南特和沃拉斯顿所用的方法类似于前者。两种方法所得出的产物与氢进行还原反应,产生粉状或海绵状锇粉末,再经粉末冶金手法进行加工。
锇生产商和美国地质调查局都没有公布锇的产量数据。1971年发布的数字当中,单在美国的消耗量共有2000金衡盎司(62公斤),意味着产量低于每年1吨。2012年美国锇产量的估值为75公斤。
锇一般以99%或更高纯度的粉末的形式出售。锇的量度单位可以采用金衡制或公制。2012年锇的价格约为每金衡盎司400美元(每克13美元)。
应用
由于锇的氧化物具有高挥发性和高毒性,而锇金属容易形成氧化物,所以其金属态的应用很少。人们一般使用的是耐用性很强的锇合金。铱锇合金非常坚硬,可同其他铂系金属用于制造需耐用的钢笔笔头、机器枢轴及电触头等。
四氧化锇可用于指纹识别,以及在光学和电子显微镜照相中对脂组织进行染色。四氧化锇的氧化性很强,所以能与未饱和碳﹣碳键反应,从而连接油脂。因此在染色的同时,它还会固定生物膜。锇原子的电子密度极高,在透射电子显微镜(TEM)下能大大提高对比度。未经处理的碳物质在TEM下的对比度很低(见图)。铁氰化锇(OsFeCN)也有染色兼固定的性质。
四氧化锇和锇酸钾是化学合成过程中重要的氧化剂,但都是剧毒。夏普莱斯不对称双羟基化反应中,锇酸将双键转换为邻二醇。巴里·夏普莱斯因这一发现而在2001年获得诺贝尔化学奖。OsO4非常昂贵,所以化学家一般改用KMnO4。虽然产量会降低,但后者的价格远没有锇高。
和钯相似,锇粉末可有效吸收氢原子,因此有潜力作金属氢化物电池电极。不过锇价格高昂,而且会与氢氧化钾(最常用的电池电解质)反应。
锇的紫外线反射率很高:锇对600Å波长的反射率是金的两倍。锇因此被用于大小有限的太空紫外光谱仪。多个太空航天飞机任务曾搭载镀锇镜子进入太空,但不久后人们发现近地轨道中的氧自由基足以破坏锇涂层。
铱
铱是一种化学元素,其化学符号为Ir,原子序数为77,原子量为192.217 u。铱是一种十分刚脆,银白色的铂系过渡金属。铱是目前发现密度第二大的化学元素(仅次于锇),以X射线晶体结构分析实验测出的密度为22.56 g/cm3,在室内温度及标准大气压的环境时,它以同样的方式被计算出的密度较锇高出了0.04g/cm3,铱是抗腐蚀性最高的金属,甚至在摄氏2000度的高温都还保留着抗腐蚀的特性。虽然只有某些融化的盐类及卤素对铱有腐蚀性,然而极细的铱粉末仍拥有较高的活性而且也是可燃的。
铱是地球地壳中最稀有的元素之一。其全球年产量及年消耗量只有三吨。自然存在的铱有Ir191和Ir193两种同位素,后者的丰度较高。铱的其他同位素都是不稳定同位素。
虽然铱可以形成有机金属化合物和被拿来做为工业催化剂及研究中,最重要的铱化合物应用主要是和氯化合而成的酸类及盐类。铱金属会被应用是因其在高温环境下的抗腐蚀性,像是在高效的火星塞,用作于半导体再结晶的坩埚中及氯碱法的电极中。铱的放射性同位素则被应用于放射性同位素热电机。
物理性质
铱属于铂系金属,和铂一样呈白色,但夹杂少许黄色。铱坚硬易碎,熔点也非常高,所以很难铸造和塑形。制造工序因此一般使用粉末冶金。铱是唯一一种在1600 °C以上的空气中仍保持优良力学性质的金属。其沸点极高,在所有元素中排第10位。铱在0.14 K以下会呈现超导体性质。
铱的弹性模量仅次于锇,为所有金属中第二高。其剪切模量很高,泊松比很低,因此具有很高的刚度,这使得铱非常难以加工生产。尽管生产不易且价格昂贵,但在现代科技所需的极端条件下,机械强度很高的铱元素仍然拥有多项应用。
化学性质
铱是抗腐蚀性最强的金属之一:它能够在高温下抵御几乎所有酸、碱(包括浓硫酸、浓硝酸、磷酸、硅酸、盐酸、氢氟酸、王水、逆王水、魔酸、氟锑酸、氢氧化钠、氢氧化铯、熔融的碱金属),但是某些熔融盐,如氰化钠和氰化钾以及氧和卤素(特别是氟)在高温下还是可以侵蚀铱的。
化合物
铱的氧化态介于−3和+9间,最常见的氧化态为+3和+4。高氧化态的化合物比较罕见,包括IrF6和两种混合氧化物Sr2MgIrO6及Sr2CaIrO6。2009年,科学家利用基质隔离方法(在6K的氩气中)对过氧化铱配合物进行紫外线照射,制成了四氧化铱(IrO4)。然而这一化合物预计在更高的温度下无法稳定保持固体状态。铱的最高氧化态为+9,是所有已知元素中最高的,只存在于IrO+4,它以气态形式出现,未知是否会形成任何盐。
存量
铱是地球地壳中最稀有的元素之一,平均质量比例只有百万分之0.001。金的丰度是它的40倍,铂是它的10倍,而银和汞都是它的80倍。碲的丰度与铱相近,另外只有三种稳定元素比铱更加稀有:铼、钌和铑,其中后两者的丰度是铱的十分之一。相比之下,铱在陨石里的含量则高很多,一般在百万分之0.5以上。科学家相信,铱在整个地球的含量比在地壳中的含量高很多,但由于它密度高,而且具亲铁性,所以在地球仍处于熔融状态时,就已沉到地球的内核了。
铱在自然中以纯金属或合金的形态出现,尤其是各种比例的铱﹣锇合金。镍和铜矿藏中含有铂系金属的硫化物(如(Pt,Pd)S)、碲化物(如PtBiTe)、锑化物(PdSb)和砷化物(如PtAs2)。这些化合物中的铂会被少量的铱和锇元素取代。与其他铂系元素一样,铱可以形成自然镍合金及铜合金。
地壳中有三种地质结构的铱含量最高:火成岩、撞击坑以及前二者演化而成的地质结构。最大的已知矿藏有南非的布什维尔德火成杂岩体、俄罗斯的诺里尔斯克及加拿大的索德柏立盆地等。美国有较小的铱矿藏。铱也出现在次生矿藏中,与冲积层矿藏中的铂以及其他铂系元素结合。前哥伦布时期哥伦比亚乔科省居民所用的冲积层矿藏至今仍是铂系元素的一大来源。截至2003年,并没有数据记录全球铱储藏量。
生产
铱是镍和铜开采和提炼过程的副产品。在镍和铜的电解精炼过程中,金、银等贵金属、铂系元素以及硒和碲等非金属元素都会积聚在正电极上。[46]这一泥状物质要进入溶液才可把其中的金属分离出来。具体方法取决于混合物的成分,但主要有两种:加入过氧化钠后溶于王水,或直接溶于氯和氢氯酸的混合溶液。
要在溶解状态下从其他铂系金属中分离出铱,需使(NH4)2IrCl6沉淀,或用有机胺把IrCl2−6萃取出来。第一种分离方法类似于特南特所用的方法。第二种方法可以作为持续的溶剂提取过程,所以更适合工业规模的生产。两种方法的产物都可用氢进行还原反应,产生粉末或海绵状的铱金属,再用粉末冶金技术来加工。
过去数十年间的铱价格波动颇大。相对其他工业用金属(如铝和铜)来说,铱的全球市场量很小,所以价格很容易受产量、需求量、投机、囤积和产国政治等多方面变化的影响。由于属性特殊,所以铱的价格会随当今科技的变化而波动:用来制造大型单个晶体的铱制坩埚滞销,导致铱价格在2001至2003年间下降。2010至2014年,多个生产单个蓝宝石晶体的工厂建立,促使铱价升至超过每盎司1000美元。这些蓝宝石被用于电视LED背光灯中。
应用
铱的需求量从2009年的2.5吨升至2010年的10.4吨。这主要是因为电子相关应用的需求量从0.2吨升至6吨:铱制坩埚被广泛用于大型高质量单个晶体的生产,而这些晶体的需求在这段时间大大提高。铱的消耗量预期将因为积累的坩埚库存而饱和,这在2000年代也曾经发生过。其他重要应用还包括火花塞(2007年消耗0.78吨)、氯碱法所用的电极(同年消耗1.1吨)以及化学催化剂(同年消耗0.75吨)。2010-2019 年十年间的铱用于电子领域,电化学、化学和其他领域各占 36%、26%、8%和 30%。电子领域,手机滤波器基片所需的钽酸锂晶体、LED 基板的蓝宝石都需要在铱坩埚中生长。电化学领域,氯酸铱在金属阳极和电极的涂覆等方面有广泛的应用,其中氯碱行业金属阳极对氯酸铱使用最多。
铱的应用大部分运用其高熔点、高硬度和抗腐蚀性质。铱金属以及铱﹣铂合金和锇﹣铱合金的耗损很低,可用来制造多孔喷丝板。喷丝板用于把塑料聚合物挤压成纤维,例如人造丝。锇﹣铱合金也可以用于指南针轴承和计重秤。
铱的耐腐蚀、耐高温性质很强,所以非常适合作为合金添加物。飞机引擎中的一些长期使用部件是由铱合金组成的,铱﹣钛合金也被用作水底管道材料。加入铱可提升铂合金的硬度。纯铂的维氏硬度为56 HV,而含50%铱的铂合金硬度可超过500 HV。
铱也常被用于须承受高温的仪器当中。比如,柴可拉斯基法使用铱制高温坩埚,产生单个氧化物晶体,如蓝宝石、钆镓石榴石和钇铝石榴石等。这些晶体被用于电脑内存和固态激光器零件当中。铱合金能够抵御电弧侵蚀,所以是火花塞电触头的理想材料。
Cativa催化法是把甲醇转变为乙酸的过程,可使用铱化合物作为催化剂。
放射性同位素铱-192在γ射线照相中是一种重要的能源,有助对金属进行无损检测。另外,近距离治疗利用192Ir所释放的γ射线来治疗癌症。这种治疗方法把辐射源置于癌组织附近或里面,可用于治疗前列腺癌、胆管癌及子宫颈癌等。
价格
7月2日止,99.95%铱价格为1,165.00元/克,铱价格为2015年以来极高值,铱2015年来累计涨幅836%。铱的终端消费在3C和电池,其价格上涨与新能源车和3C板块的高景气相互印证。