金屬“銥”行業(yè)分析

瑞鵬資產(chǎn) 蔣欣娣

銥是稀有金屬，具有熔點高（2454℃）、密度大（22.56g/cm3）、抗腐蝕性強和催化活性高等優(yōu)良性質(zhì)，廣泛用于合金、醫(yī)藥、化工、電子和電化學等領域，成為各種高科技行業(yè)的關鍵因素。然而，銥在地殼中的儲量十分匱乏，年產(chǎn)量極其有限。近兩年，質(zhì)子交換膜(PEM)電解制氫技術的高速發(fā)展引發(fā)了人們對該技術的必要金屬“銥”產(chǎn)生了高度關注，但是業(yè)界普遍擔憂銥的稀缺性會使供應遠不及需求，從而導致銥價格飛漲，極大制約PEM電解槽的擴張。

本文通過分析銥產(chǎn)業(yè)鏈中的資源供給情況和工業(yè)需求情況，結合銥的歷史價格情況，對銥的未來價格進行預測。

一、銥的產(chǎn)業(yè)鏈介紹

銥金屬產(chǎn)業(yè)上游端為礦石的開采，后經(jīng)提煉分離為鉑族金屬精礦；中游端為純銥的提煉、銥制品的加工，以及銥廢料的回收后再提煉；在下游端，純銥和銥制品主要應用于化工、電子、電化學領域，涉及汽車行業(yè)、燃料電池、電子設備、醫(yī)療等多個行業(yè)。

圖1-1 銥產(chǎn)業(yè)鏈圖示

（一）上游——銥的開采

1.銥的自然分布情況

銥是地球上最稀缺的元素之一，其平均地殼含量約為0.003ppb（十億分之一），常與鉑系元素（PGM：鉑Pt、鈀Pd、鋨Os、銥Ir、釕Ru、銠Rh）一起分散于沖積礦床和砂積礦床的各種礦石中。

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局報告，截至2021年底，全球已探明鉑族金屬總儲量約為7.0萬噸，我國已探明鉑族金屬資源儲量僅為87.69噸，不足全球總儲量的0.13%。其中，銠、銥、鋨、釕屬于稀有鉑族金屬，約占鉑、鈀的10%，銥在稀有鉑族金屬中的占比約為16%，推算其在所有鉑族金屬中的占比約為1.45%。

除目前已探明的礦山以外，地下儲藏銥資源較為豐富。根據(jù)鉑族金屬資源儲量可以推算出全球銥儲量為1000噸左右（推算過程如表1-1所示）。但是，因為銥是鉑和鈀開采的副產(chǎn)品，所以完全為了銥而開采礦山是不太可能。

表1-1 全球鉑族金屬儲量及銥儲量

數(shù)據(jù)來源：美國地質(zhì)學會；《銥資源應用現(xiàn)狀及市場分析》，張金池等

2.銥的開采

銥通常以鉑族金屬的形式存在，主要與鉑、鈀等元素結合形成鉑礦石，因此，銥的開采產(chǎn)量取決于鉑、鈀的產(chǎn)量。開采鉑礦石的過程包括地質(zhì)勘探、開采和選礦等步驟。在開采過程中，鉑礦石通常被破碎和磨粉，并通過浮選或磁選等物理方法將鉑礦石與其他雜質(zhì)分離。

目前已勘探到的PGM礦床在地理上集中在南非、俄羅斯、美國、津巴布韋和加拿大五個國家，其中，70%鉑、35%鈀的開采量在南非，45%鈀的開采量在俄羅斯。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)礦產(chǎn)年報，銥的生產(chǎn)集中在南非，占全球市場的85%，2014-2022年產(chǎn)量均值為7.2噸。

數(shù)據(jù)來源：美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)

（二）中游——銥的提煉與回收

1.銥的提煉

從鉑礦石中提取精煉銥通常要在溶液體系中進行，且分離難度比較大。首先一般采用氯銥酸銨反復沉淀法，同時根據(jù)原料性質(zhì)需要結合硫化法、亞硝酸鈉配合法、溶劑萃取法、離子交換法等分離銥溶液中的貴賤金屬雜質(zhì)，獲得銥絡合物溶液（(NH4)3IrCl6）。接著將分離出的銥溶液進行進一步的化學處理，將其放在強酸介質(zhì)中加熱氧化為(NH4)2IrCl6，(NH4)3IrCl6和(NH4)2IrCl6在氯化銨溶液中溶解度差異較大，(NH4)2IrCl6溶解度較小形成黑色結晶。最后將純(NH4)2IrCl6煅燒制得金屬銥粉。銥金屬可以進一步精煉和加工，制備成銥制品，如銥合金、銥催化劑等。

圖1-3 鉑族礦石開采及鉑族金屬提煉過程

資料來源：英美資源集團(Anglo American)2023年綜合報告

2.銥的二次回收

銥的儲量稀少、價格昂貴。銥在加工或者使用過程中會產(chǎn)生含銥廢料，從二次資源中回收銥可以實現(xiàn)資源循環(huán)利用，緩解供需矛盾。

含銥廢料來源：1）銥金屬和銥合金廢料。包括廢銥坩堝、耐高溫涂層材料、汽車發(fā)動機火花塞點火電極等，多為被其他元素污染的合金，或者斷裂、報廢的元器件等。

2）含銥催化劑。近些年來，Ir-Pt、Ir-Rh、Pt-S-nIr、Ir-Sn等復合納米催化劑被逐漸開發(fā)，并用于催化甲酸、乙醇、氨的氧化。催化劑與氣流中的雜質(zhì)發(fā)生反應，或者表面積炭遮蓋了活性中心使其不能發(fā)揮作用，導致催化劑失活，在使用過程和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含銥廢料。

3）含銥有機廢液。銥有機化合物應用廣泛，甲醇羰基化制醋酸的催化劑醋酸銥、化學氣相沉積法制作鍍層保護材料的乙酰丙酮銥、有機發(fā)光二極管(OLED)領域的磷光銥配合物等。銥的有機配合物合成產(chǎn)率不高，在生產(chǎn)過程中會有大量的含銥有機廢料[2]。

銥和釕的回收幾乎屬于閉環(huán)回收（即金屬通常在同一應用中被重復使用，回收流程見圖1-4），工業(yè)消費者在整個精煉和再制造過程中保留對金屬的所有權，因此在市場中幾乎看不到銥的回收。莊信萬豐（Johnson Matthey）是世界上最大的次級鉑族金屬回收商，擅長高效回收和提煉包括銥在內(nèi)的鉑族金屬，使其達到高純度，從而可以實現(xiàn)重復使用。

圖1-4 鉑族金屬閉環(huán)回收流程

圖片來源：2023年莊信萬豐鉑族金屬市場報告

關于銥資源回收的技術，大型回收商未對此公開，根據(jù)現(xiàn)有研究文獻整理，主要回收方法有經(jīng)典沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法等，實驗總回收率達到70%-99%（回收技術相關信息如表1-2所示）。但是，考慮到銥廢料來源廣泛、回收成本較高、回收精煉技術要求高等現(xiàn)實因素，實際回收率并不會很高，未來銥需求的提高將會加強人們對銥廢料回收技術的重視。

表1-2 銥二次資源回收技術分析表

資料來源：《銥的資源、應用及回收利用研究進展》，李紅梅等

（三）下游——銥的應用

銥的應用領域主要有化工、電子和電化學等。過去10年里，全球銥工業(yè)需求量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢（如圖1-5所示），2016年和2017年達到最高需求量8.5噸/年，其原因為電子行業(yè)和電氣化學行業(yè)對銥的需求量擴大。2020-2022年受新冠疫情的影響，銥工業(yè)需求量有所下降；2023年全球銥工業(yè)需求量有所回升，為7.4噸/年。

數(shù)據(jù)來源：莊信萬豐(Johnson Matthey)

1.化工領域

2014-2023年，銥在化工領域的需求量維持在0.7-0.9噸，預計近10年基本保持穩(wěn)定。

1）銥催化劑。銥催化劑是化工領域的重要催化劑，主要用于醋酸合成（甲醇羰基合成法Cativa工藝），還有烯烴氫化、烷基化、烯烴環(huán)化、酰胺還原、芳香醛羰基還原等有機反應。其中，Cativa醋酸合成工藝一種通過甲醇羰基化制備乙酸的方法，其以金屬銥作主要催化劑（一般是復合物[Ir(CO)2I2]﹣），并可加入一部分錸、釕和鋨等作助催化劑，在180℃左右、3MPa(G)下發(fā)生生成醋酸。該方法具有反應溫和，產(chǎn)品選擇性高，體系中含水量低，催化劑穩(wěn)定性好、壽命長、用量少，副產(chǎn)物丙酸少，綜合能耗低，精餾區(qū)設備少等優(yōu)點，成為醋酸制備主流方法。工廠一旦選定工藝進入建設階段，幾乎不可能再切換工藝路線，因此醋酸行業(yè)的穩(wěn)定使得其在很長的一段時期對銥的需求影響有限，銥需求基本保持穩(wěn)定。

表1-3 2010—2020年全球醋酸生產(chǎn)情況

數(shù)據(jù)來源：《2020年國內(nèi)外醋酸供需現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析》，賈亮

2）銥納米催化劑/銥納米酶。近年來，開發(fā)的銥納米催化劑可用于制備生物活性分子，如抗癌藥物、抗病毒藥物等。相比于其它金屬納米材料，銥納米材料在相同的制備條件下更容易得到尺寸相對較小且穩(wěn)定性好的納米顆粒和團簇，使其有更高的催化活性。銥納米材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的類酶催化性質(zhì)，目前人們對于銥納米酶的應用和催化機理研究還處于初期階段，對金屬銥的需求量并不大，隨著人們對銥納米酶認識的不斷深化，未來銥納米酶將在傳感、癌癥治療、污染控制、抗氧化作用等多個領域發(fā)揮作用[5]。

2.電子領域

在電子領域，銥主要用于制備銥坩堝、合成有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器所用的銥配合物。除此之外，銥合金還用于心臟起搏器、熱電偶、電阻器、飛機引擎、指南針軸承和多孔噴絲板中。近10年間，銥在電子領域的需求量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，2015-2017年對銥的需求量較大，系OLED商業(yè)化成熟（例如2017年iPhoneX采用OLED屏幕）對銥的需求量擴大，2018年后銥需求量穩(wěn)定于1.1-1.5噸/年，隨著銥坩堝和有機發(fā)光半導體(OLED)的需求發(fā)展，預計未來10年對金屬銥的需求會有所增長，但考慮到銥坩堝回收技術的提升，金屬銥的未來需求增長幅度不會很大。

1）銥坩堝。銥具有非常高的熔點，是所有元素中熔點第二高的，僅次于鎢，因此被作為坩堝的原材料。銥坩堝具有出色的耐高溫性能，可以在高達2000攝氏度以上的環(huán)境中穩(wěn)定工作，在冶金、陶瓷、玻璃等行業(yè)，銥坩堝被用于熔煉、燒結等各種高溫處理工藝，除此之外銥坩堝還可以用來加工很多晶體產(chǎn)品，包括應用于5G技術和醫(yī)美行業(yè)等領域。雖然銥坩堝的原材料稀有、制造加工難度高，但是銥坩堝耐用性高、能夠回收再利用，且目前已經(jīng)開始逐步使用其他金屬材料替代部分銥，因此預計未來10年對金屬銥的需求不會大幅增長，甚至有望降低。

2）有機發(fā)光半導體(OLED)。銥在電子領域另一個潛在的市場需求增長點來自有機發(fā)光半導體(OLED)技術。發(fā)光材料是OLED的關鍵，其中磷光銥(III)配合物憑借效率高、結構易修飾、顏色可調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，在眾多發(fā)光材料中脫穎而出，該配合物以金屬銥為發(fā)光核，通過改變配體的種類和結構即對配體進行修飾以調(diào)節(jié)發(fā)光波長，進而實現(xiàn)調(diào)整材料的發(fā)光顏色，實現(xiàn)器件的全彩色顯示。OLED廣泛應用于各種電子產(chǎn)品，如：電視和移動電話顯示屏；車載顯示屏、儀表盤和車內(nèi)照明燈；數(shù)字廣告屏；飛機座艙顯示、導航系統(tǒng)和頭盔顯示器等等。預計用于OLED的銥基磷光材料需求前景廣闊，銥需求增加。

3.電化學領域

銥在電化學領域的需求量較為穩(wěn)定，平均為2.35噸/年，2020-2023年穩(wěn)定維持在2噸/年。未來10年，隨著全球清潔能源的需求規(guī)模擴大，PEM電解水制備綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，對銥的需求量會激增，后續(xù)會隨著制氫效率的提高、其他金屬替代等各種原因逐步降低對銥的需求量，直至供需平衡。

1）電極（氯堿電極、水處理電極、銅箔生產(chǎn)中的電極等）。銥是一種性能優(yōu)異的電極涂層，在高電位下具有良好的化學穩(wěn)定性，因此，銥涂層廣泛用在氯堿工業(yè)生產(chǎn)氯和燒堿、船舶壓載水處理以及電解銅箔等領域（其中銥做陽極涂層）。在船舶制造中，陽極板電銥能夠有效地保護船體不被海水侵蝕，延長船體的使用壽命；銅箔的傳統(tǒng)應用是印刷電路板，鋰電池和純電車的興起將推動行業(yè)對銅箔和銥的需求。長期來看，該領域有較好的前景，但是銥涂層使用壽命較長，且有部分領域可以采用其他鉑系金屬對銥進行替代，因此對銥的需求量不會大幅變化。

2）汽車發(fā)動機火花塞。火花塞是一種引擎內(nèi)部的部件，其主要作用是在燃燒室內(nèi)引起火花，使混合氣體點燃，從而讓引擎運轉起來。近年來，隨著新發(fā)動機對火花塞的壽命要求提高，對火花塞側電極材質(zhì)提出了要求，誕生了雙鉑金、銥鉑金和雙銥金的火花塞。銥因其具有高硬度，可以使其在火花塞上做的更細，細的電極使點火更為集中，能量更強，火花塞路線更穩(wěn)固，有效的提升燃燒的效力和效度。目前銥金火花塞是所有火花塞中的高端產(chǎn)品，價格往往比鉑金火花塞高，一般都使用在高檔轎車上，因此對銥金的需求量并不是很大。

3）質(zhì)子交換膜PEM電解水制氫。質(zhì)子交換膜電解水(PEMWE)制氫因其電流密度高、冷啟動時間短，是面向可再生能源生產(chǎn)“綠氫”的首選方法。PEMWE需要大量的貴金屬催化劑來加速陽極緩慢的析氧反應(OER)，銥及其衍生的氧化物被認為是唯一可行的催化劑，可以同時滿足實際應用的活性和穩(wěn)定性需求。目前，銥負載量是擴大質(zhì)子交換膜電解槽的潛在瓶頸，PEM電解槽每兆瓦需要約700克（24.7盎司）的銥，占PEM電解槽成本的8.1%。未來該領域對金屬銥的需求量主要取決于兩方面的因素：質(zhì)子交換膜電解槽的需求以及銥的涂敷量。

第一，質(zhì)子交換膜電解槽的需求。根據(jù)氫能委員會的數(shù)據(jù)，2022年電解槽的容量增長了30%，達到了0.170GW，總容量達到了0.7GW。氫能的勢頭仍然強勁，國際能源署APS承諾基于所有宣布的國家減少排放目標，預測PEMWE產(chǎn)能將從2022年的0.30W增加到2030年的80GW，到2050年為580GW；國際能源署的2050年零凈碳排放量NZE預測，到2030年，PEMWE產(chǎn)能將增長到220GW，到2050年將增長到1130GW；氫氣委員會則預測2050年PEMWE產(chǎn)能將增長到1550GW。根據(jù)測量，2023年1GW的質(zhì)子交換膜PEM電解槽產(chǎn)能需要大約0.4噸的銥，如果PEMWE產(chǎn)能增長以預期的速度持續(xù)，那么銥的供應量將出現(xiàn)嚴重短缺。

圖1-6 全球PEMWE產(chǎn)能預測

注：根據(jù)IEA APS(綠線)、IEA NZE(紅線)和氫氣委員會(藍線)的數(shù)據(jù)，預測全球PEMWE能力。

圖片來源：《Perspectives on current and future iridium demand and iridium oxide catalysts for PEM water electrolysis》,Mark Clapp等。

第二，質(zhì)子交換膜電解槽中的銥涂敷量。目前質(zhì)子交換膜電解槽中的銥涂敷量為400kg/GW，降低銥涂敷量需要多方共同進步，包括使用活性更高的催化劑、更高效的質(zhì)子膜，更有效的催化劑涂敷方式等，以最大限度地提高銥的使用效率。減少PEM電解槽每吉瓦功率所需的銥催化劑用量已經(jīng)開始推廣，并且100kg/GW的催化劑已接近上市，莊信萬豐公司預測到2030年載銥量減少至80kg/GW是可行的，研究機構E4tech的預測顯示，在較低需求情景假設中的銥涂敷量可能只有50kg/GW，賀利氏公司則表示下一代技術的目標是將銥用量進一步降低到30kg/GW，預計在2050年實現(xiàn)該目標。以氫燃料電池的發(fā)展為例，鉑族金屬的使用量已從1991年的約3g/kW減少到2005年的1.1g/kW，乃至目前的0.14-0.2g/kW，在30年間減少了一個數(shù)量級，因此，基于鉑族金屬涂敷量大幅降低的歷史經(jīng)驗，以及銥供給的稀缺性，將促使相關研究的深入探索，銥涂敷量有望在2030年至2050年逐步降低，從而實現(xiàn)金屬銥的供需平衡。

二、銥的價格及供需分析

（一）銥的歷史價格

近15年（2009年3月-2024年3月）銥的國際平均價格走勢如圖2-1所示。2010-2011年，發(fā)光二極管(LED)技術的應用爆發(fā)，銥價格小幅上漲至1000美元/盎司；2015-2016年，4G移動技術的推出引發(fā)了對電子行業(yè)晶體材料的需求，從而刺激了用于晶體生長的銥坩堝需求增長，從2017年起，銥價格開始緩慢上升，2020年末達到1973.84美元/盎司；2020年后，一方面受疫情影響，導致全球銥供應量下降，另一方面，汽車電動化快速發(fā)展，鋰離子電池需求大幅提高，刺激電解銅箔產(chǎn)能的大幅擴張，推動對銥的需求，銥價格在2021年5月達到6300美元/盎司的最高值；2022-2024年，銥價格在4500美元/盎司上下波動。

數(shù)據(jù)來源：莊信萬豐(Johnson Matthey)

（二）銥的供給與需求預測

根據(jù)美國地質(zhì)勘探局礦產(chǎn)年鑒，銥礦產(chǎn)量2014年為5.18噸，2015年-2022年均產(chǎn)量為7.5噸，與銥的總需求量基本平衡（全球銥金屬供需量如圖2-2所示）。2016-2018年OLED和電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，導致銥需求高于銥供給，銥價格從2017年起開始逐步上升。2020-2022年受新冠疫情的影響，全球經(jīng)濟發(fā)展緩慢，對銥的需求量有所降低，2022年，南非最大的兩家鉑族金屬生產(chǎn)商Anglo American Platinum和Impala Platinum都進行了熔爐大修，限制了冶煉能力，受暴雨、設備短缺和社區(qū)抗議的影響，南非鉑系金屬采礦量都有所下降。

需求端來看，2023年各行業(yè)從疫情疲軟狀態(tài)逐步恢復，預計未來10年電動汽車行業(yè)和PEMWE行業(yè)對銥的需求量較大，考慮到各國對綠色清潔能源的重視，PEMWE行業(yè)中對銥的需求量將會對銥價格產(chǎn)生重大影響。因為銥價格明顯高于其他鉑系金屬，所以已經(jīng)有行業(yè)開始探索其他金屬對銥的替代研究，據(jù)報道，汽車（例如火花塞）和電子（例如坩堝）行業(yè)已經(jīng)開始替代部分銥，據(jù)世界鉑金投資協(xié)會WPIC估計，到2030年，現(xiàn)有銥需求的20%將被替代，到2040年將達到30%，在未來十年內(nèi)，每年釋放銥供應達4.5萬盎司至6.7萬盎司。因此，這些行業(yè)被替代的銥需求將會在一定程度上緩解PEMWE行業(yè)的銥需求量。

供給端來看，銥的產(chǎn)量依賴于鉑和鈀的產(chǎn)量，銥的價格彈性較小，因此鉑和鈀的產(chǎn)量將會影響到銥的價格。2024年，南非鉑金供應量預計將增長5%，鈀金和銠金的供應量預計也將出現(xiàn)小幅增長，此外，部分礦商擴建了礦區(qū)，并優(yōu)化了工廠，以去除生產(chǎn)瓶頸，因此，預計未來10年鉑族金屬產(chǎn)量將會穩(wěn)定增長。此外，銥廢料的閉環(huán)回收也獲得日益重視，盡可能地確保銥材料的再利用和回收來實現(xiàn)循環(huán)性，例如，美國清潔氫能路線圖計劃在2030年代實現(xiàn)電解槽裝置中鉑族金屬99%回收率的目標。因此，銥廢料的閉環(huán)回收將成為銥供應的重要來源。

圖2-3 銥的供應量及PEMWE的銥需求量預測

資料來源：世界鉑金投資協(xié)會(WPIC)

（三）銥的價格走勢預測

根據(jù)前文對銥的供給預測和各領域對銥的需求預測，本研究預測近10年時間里銥的價格將會快速上升，長期來看，隨著銥回收技術的成熟、PEMWE銥涂敷量的降低、其他行業(yè)銥金屬替代量的提高以及銥礦采集和提煉技術的成熟，銥的價格將逐步下降，并趨于平穩(wěn)。圖2-4是對銥未來價格的預測區(qū)間。

圖2-4 銥價格走勢預測圖