金属矿物科普：“钴”勇者，破成矿壁障

让我们先从下面的视频

↓了解下钴吧~

钴位于元素周期表中的第4周期、第VIII族，属于过渡族元素，是铁元素的邻居。但是钴的知名度远远低于铁，与生活中随处可见的铁制品相比，钴显然让人更加陌生。随着低碳能源科技的发展和国家能源结构的调整，未来钴将作为新能源电池的关键金属，更多的进入我们的生活中。然而，钴的地壳丰度低，富集成矿难度大。

接下来请跟随着小编，看“钴”勇者，如何携独“钴”九剑，破成矿壁障。

一剑：钴的发现—“钴”里古怪

钴，原义为熨斗，现延伸为钴元素，英文是“Cobalt”，来自德文的“Kobold”，意为“小恶魔”。因为在早期（1733年）德国矿工在冶炼很像银矿的矿石时（图1），释放了剧毒气体，造成矿工的中毒丧命，从而，“钴”有了一个恶魔的称号。直到1780年，瑞典化学家伯格曼（Bergman）研究后发现，这种矿石其实是含有银白色的钴砷硫化物——辉钴矿（CoAsS）。辉钴矿加热后生成含有硫、砷的气体（主要为H2S和AsH3）是造成中毒的元凶。因此，“钴”这才洗脱了“恶魔”的恶名。

图1很像银矿石的辉钴矿

（图片来自视觉中国）

二剑：钴的发现—“钴”肉相连

钴是人体所需要的微量元素之一。直到1948年，研究者才从肝浓缩物中分离出一种红色晶体，其分子中含有大约4.5%的钴，将其称为钴胺素，即维生素B12。人体缺乏维生素B12是引起阿迪生贫血病的祸根。钴可经消化道和呼吸道进入人体，一般成年人体内含钴量为1.1~1.5mg。体内钴14%分布于骨骼，43％分布于肌肉组织，43％分布于其他软组织中（图2）。

图2钴元素在人体中的分布情况

（数据来源百度百科-钴元素）

三剑：钴的发现—“钴”色古香

“素胚勾勒，出青花，笔锋浓转淡”。这青花就是钴料（氧化钴）勾勒在瓷胎上，经过1250℃左右的高温烧制，在釉下呈现蓝色的样子。青花瓷从唐代出现，经过元代大力发展，到明初获得巨大成就。钴的使用丰富了青花瓷的文化内涵和历史底蕴。元青花“萧何追韩信图”梅瓶用料上乘，采用了名贵的“苏麻离青”钴料，其来源于古波斯（现伊朗）。带有人物故事的元青花极为罕见，梅瓶属于青花大器极难烧造，其瓷胎质地、人物绘画、烧造等方面炉火纯青，是元青花最高的艺术成就（图3）。据悉元青花“萧何追韩信图”梅瓶有三件。第一件现收藏于南京市博物馆，是国家一级文物（图3）；第二件在2011年澳门拍卖会上以折合6.85亿人民币价格卖出；第三件至今下落不明。

图3元青花最高艺术成就“萧何月下追韩信图”梅瓶

（图片来自于网络）

和梵高油画作品《星月夜》

（图片来源网站https://www.nbfox.com/the-starry-night/）

“星空下的夜晚，交给梵高点燃”。这幅《星月夜》就是由梵高用“钴蓝”颜料创作了蓝色星空（图3）。“钴蓝”绘画颜料，是一种带绿光的蓝色粉末，主要成分是铝酸钴Co(AlO2)2，由磷酸钴与氢氧化铝或氧化铝混和煅烧而制得。该颜料具有耐热、耐光、耐酸、耐碱的特点。“钴蓝”颜料深受欧洲后印象派画家的喜爱。

四剑：钴的前景—“钴”为今用

金属钴作为关键战略性稀贵金属资源，现今主要用于制造电池材料和高温合金（图4），其中在电池材料的应用最为广泛（49%），高温合金次之（18%），其他应用包括硬质合金、陶瓷/颜料、催化剂、磁性材料等。在制造合金方面，钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。在航天技术中也广泛使用钴基合金，例如在航空涡轮机的结构材料使用含20%-27%铬的钴基合金，可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。含有一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度。

图4关键金属钴的主要用途

（据Williams-Jones and Vasyukova, 2022）

五剑：钴的前景—“钴”足干劲

据预测未来十年内，钴最主要的用途依然是制备电池，并且具有逐年上升的趋势（图5）。三元锂电池由于其符合低碳能源的发展需要而被重点关注，三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（为层状晶体结构）或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池（图5），锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMnO2）、镍酸锂（LiNiO2）、三元材料、磷酸铁锂等。多元材料因具有综合性能和成本的双重优势日益被行业所关注和认同，逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。随着国家能源结构调整，发展低碳能源科技将逐渐成为时代主流，未来对钴的需求将会不断增长。因此，要鼓足干劲，寻找更多的钴资源。

图5钴近十年的需求预测（据Williams-Jones and Vasyukova, 2022）

和钴锂电池原理图（据Liu et al., 2016）

六剑：钴的性质—“钴”傲不群

“钴”与其左右邻居“铁”哥们和“镍”老弟相比，显得有些“钴”僻清高，自命不凡。“铁”哥们和“镍”老弟都有4-5个稳定同位素，而“钴”只有一个稳定同位素（图6）。因此，在地球科学研究中，无法利用钴同位素直接约束钴元素的来源、演化和循环过程。钴在地球演化过程中倾向进入地核和地幔中，在地壳上的平均丰度很低，仅为25 ppm （百万分比浓度）。

为何“钴”独不可光荣

元素只有被利用值得歌颂

谁说丰度高才算英雄

爱你“钴”身穿地壳

爱你不屈的模样

爱你富集过绝望

不肯稀一下

爱你“钴”独前往

却敢破成矿的障

图6铁钴镍的同位素丰度和地壳丰度

（数据来源GERM, 1998）

七剑：钴的资源—“钴”战而立

钴作为低碳能源科技产业的新贵，需求量一路攀升，预计2050年全球钴需求量将达到64万吨，相比于2017年全球11万吨的钴生产量，需求量将上涨585%。因此，美国、英国、欧盟等国家和国际组织纷纷将钴列为关键矿产，是大国博弈的焦点。一场没有硝烟的“钴”战就此打响。钴资源全球分布高度集中，主要分布在刚果（金）、赞比亚、澳大利亚等国家，其中刚果（金）2017年钴储量占全球陆地钴储量的49%，而其产量甚至高达全球总产量的60%。我国钴资源极度匮乏且开采难度大，可经济开采的储量仅13.74万吨，潜在资源量约为70万吨（中国矿产资源报告，2019，2021），对外依存度达到95%以上（赵俊兴等，2019）。我国面对“钴”战，挺身而立，积极布局钴矿资源。许多中国企业积极响应“走出去”的战略布局，远赴非洲。目前刚果（金）现有的19座钴矿场中，有15座是中国公司运营或资助的。

刚果（金）的钴矿床为沉积岩型层控铜-钴矿床，矿体呈层状或似层状赋存在沉积盆地碎屑岩或碳酸盐岩中。这类型钴矿床的钴资源保有量将近占到全球钴资源量的一半，主要分布在刚果（金）和赞比亚的中非铜-钴矿带中。除此之外世界上主要的钴矿床还有红土型镍-钴矿床和岩浆型铜-镍-钴矿床。世界上最大的红土型镍-钴矿床为巴西的贾卡雷（Jacaré）矿床。最大的岩浆型铜-镍-钴矿床为加拿大的肖德贝里（Sudbury）矿床，我国最大的钴矿床甘肃省金川矿床，也是岩浆型铜-镍-钴矿床。

图7全球各国陆地钴矿储量分布图（左图）

和全球陆地钴矿床类型及储量占比（右图），

参考自Slack (2017)。

八剑：钴的资源—“钴”海无涯

尽管全球每年60%的钴资源是开采自古老的沉积地层。但事实上，现代海洋的潜在钴资源至少有1.2亿吨，是陆地已探明钴资源量的5倍以上，主要保存在海底的富钴的铁锰结壳和结核中。按照全世界每年消耗10万吨钴来计算，海底的钴资源可供人类使用1000年以上。富钴结核集中在海底800-2400米的海底高原斜坡上，大多离陆地不远。我国拥有专属勘探权和优先开采权的富钴结壳区面积为3000 km2，平均品位是0.5%左右，远远高于陆地钴矿的品位（大多数在0.01%-0.3%之间）。但是受现有开采技术的限制，海底的钴资源暂时不能被我们经济性开采利用。在未来，随着海底采矿技术的不断发展，相信海底钴资源的开采也是能够实现的。

图8深海铁锰结壳（A-C, Lusty et al., 2018）

和铁锰结核（D, Hein et al., 2014）

九剑：钴的资源—“钴”往今来

钴矿资源的时空分布具有不均一性。这很有可能与地球深部壳幔演化过程与浅部表生环境的变化密切相关。岩浆型钴矿床的赋矿围岩从太古代的科马提岩，变化为元古代的橄榄岩-辉长岩，显生宙以玄武质岩石为主。赋矿围岩岩性的变化可能暗示与地球温度的冷却造成地幔不同程度的部分熔融或者与大陆岩石圈地幔由厚到薄的变化有关（图9a）。沉积岩型层状铜钴矿床首次出现于古元古代大氧化事件之后的地质记录中，暂停一段时间后，在新元古代氧化事件期间再次爆发成矿（图9b）。进入显生宙后便不再形成富钴的沉积岩型铜钴矿床。可见，大气氧含量的变化可能控制富钴沉积岩型铜钴矿床的时空分布。

图9岩浆型钴矿床（A）和沉积岩型钴矿床（B）的钴资源随时间的演变

（数据来源Slack et al., 2017和Qiu et al., 2021）

主要参考文献

钴-百度百科，详见：https://baike.baidu.com/item/钴

赵俊兴, 李光明, 秦克章, 唐冬梅. (2019). 富含钴矿床研究进展与问题分析. 科学通报, 64(24), 2484-2500

卢宜冠, 郝波, 孙凯, 何胜飞, 许康康, 龚鹏辉, 张航. (2020). 钴金属资源概况与资源利用情况分析. 地质调查与研究, 43(1), 72-80

中国矿产资源报告，2019-2021，中华人民共和国自然资源部，详见：

http://www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/kc_19263/zgkczybg/

Hein, J.R., Koschinsky, A., 2014. Deep-Ocean Ferromanganese Crusts and Nodules, in: Treatise on Geochemistry. Elsevier, pp. 273–291.

Liu, C., Neale, Z. G., & Cao, G., 2016. Understanding electrochemical potentials of cathode materials in rechargeable batteries. Materials Today, 19(2), 109-123

Lusty, P.A.J., Hein, J.R., Josso, P., 2018. Formation and Occurrence of Ferromanganese Crusts: Earth’s Storehouse for Critical Metals. Elements 14, 313–318.

Qiu, Z.J, Fan, H. R., Goldfarb, R., Tomkins, A. G., Yang, K. F., Li, X., Xie, L., Liu, X., 2021. Cobalt concentration in a sulfidic sea and mobilization during orogenesis: Implications for targeting epigenetic sediment-hosted Cu-Co deposits. Geochimica et Cosmochimica Acta, 304, 1-18.

Slack, J.F., Kimball, B.E., Shedd, K.B., 2017. Cobalt, chap. F of Schulz, K.J., DeYoung, J.H., Jr., Seal, R.R., II, Bradley, D.C. (Eds.), Critical Mineral Resources of the United States— Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply: U.S. Geological Survey Professional Paper 1802, F1–F40.

Staudigel H , F Albarède, Blichert-Toft J , et al. Geochemical Earth Reference Model (GERM): description of the initiative. 1998, 145(3-4):0-159.

Vasyukova, O. V. and Williams-Jones, A. E., 2022. Constraints on the Genesis of Cobalt Deposits: Part II. Applications to Natural Systems. Economic Geology, 117(3), 529-544

Williams-Jones, A.E., Vasyukova, O.V., 2022. Constraints on the Genesis of Cobalt Deposits: Part I. Theoretical Considerations. Economic Geology 117, 513–528.

作者简介

邱正杰，中国科学院地质与地球物理研究所 副研究员。2012–2017年在中科院地质与地球物理研究所攻读博士学位，期间在澳大利亚莫纳什大学完成博士联合培养。2017年入选全国博管会 “博新计划”。主要研究兴趣为关键金属在地球多圈层相互作用过程中的循环与富集，目前以第一作者身份在GCA、PR、OGR等期刊发表论文6篇。

招生宣传

中国科学院地质与地球物理研究所 矿产资源研究院重点实验室关键金属钴矿研究小组拟招收一名研究生，由邱正杰副研究员和曹明坚研究员共同指导培养。
研究方向：

1）关键金属钴的成矿过程与富集机制
2）关键金属钴的时空分布规律与找矿预测
研究手段：矿物原位微区分析技术，如单个流体包裹体或矿物原位成分分析、原位铁硫同位素分析、基于同步辐射的近边吸收光谱分析等
研究对象：中条山铜钴矿床、中非铜钴矿床、芬兰黑色页岩型铜镍钴矿床

欢迎优秀青年学子报考中国科学院地质与地球物理研究所，加入我们钴矿研究小组，可推荐至海外科研团队和实验室交流访问！

作者 | 邱正杰 单鹏飞 王硕 黄新硕

视频制作 | 安施绮 林清

审核 | 杨武斌 赵新福

排版与校正 | 莫静 瞿川豪 朱康钰

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来源：战略性关键金属科普平台

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