Tellurium là gì? Tính chất, ứng dụng và vai trò chiến lược trong công nghiệp hiện đại

Tellurium – nguyên tố thứ 52 trên bảng tuần hoàn – không nổi bật trên các phương tiện truyền thông nhưng lại là trụ cột thầm lặng của nền công nghiệp hiện đại. Từ hợp kim đặc biệt, mạch điện tử cho đến tấm pin mặt trời hiệu suất cao, Tellurium đóng vai trò quan trọng mà ít người biết đến. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn khám phá một cách toàn diện về Tellurium: tính chất khoa học, ứng dụng công nghiệp, thách thức về nguồn cung và tiềm năng phát triển trong tương lai.

1. Tellurium là gì?

Tellurium (Te) là một bán kim loại – thuộc nhóm chalcogen cùng với O, S, Se và Po. Nó thể hiện các tính chất hóa học tương tự như selen và các tính chất vật lý tương tự như các kim loại như bạc hoặc chì.

Điểm đặc biệt:

• Nguyên tố đầu tiên được phát hiện trong khoáng chất trước khi được xác định đầy đủ về mặt hóa học.

• Có tính phóng xạ yếu tự nhiên – chủ yếu là Te-128 và Te-130, nhưng không gây hại cho con người ở liều lượng công nghiệp.

Vị trí trong chuỗi phần tử:

• Có tính chất kép: nó vừa có thể tạo thành muối như phi kim loại vừa tạo thành hợp kim như kim loại.

• Đóng vai trò trung gian hóa học trong quá trình xúc tác và chuyển đổi vật liệu.

2. Tính chất vật lý và hóa học của Tellurium

Tellurium là một trong những nguyên tố hiếm có thể thay đổi tính chất một cách đáng kể tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể:

• Dạng tinh thể: dẫn điện tốt, dẫn nhiệt kém, độ giòn cao – dễ vỡ khi va chạm.
• Vô định hình: tương tự như thủy tinh đen, không dẫn điện tốt.

Khả năng hóa trị:

• Hóa trị -2, +2, +4 và +6 có thể được biểu thị tùy thuộc vào điều kiện phản ứng.

• Thường tạo ra các hợp chất Telluride (Te²⁻) khi kết hợp với kim loại.

• Khi bị oxy hóa, nó tạo thành TeO₂ – một oxit axit lưỡng tính, hòa tan trong axit mạnh và kiềm.

Tellurium có mùi tỏi đặc trưng khi tiếp xúc với cơ thể con người, do sản phẩm phân hủy hữu cơ Tellurium (dimethyl Telluride) – thậm chí có thể gây ra mùi hôi trong hơi thở và mồ hôi trong vài ngày sau khi tiếp xúc.

3. Nguồn gốc và trữ lượng toàn cầu

Tellurium không được khai thác trực tiếp mà là sản phẩm phụ của luyện kim, đặc biệt là điện phân đồng. Tellurium được ngưng tụ trong chất nhờn cực dương sau khi tinh chế đồng, bạc và vàng.

Dự trữ khai thác:

• Trên toàn thế giới, sản lượng Tellurium chỉ khoảng 500–800 tấn/năm – một con số cực kỳ nhỏ so với nhu cầu của ngành công nghiệp điện tử và năng lượng.

• Dự trữ có thể khai thác được ước tính chỉ khoảng 30.000–40.000 tấn trên toàn cầu.

Nước dẫn đầu:

• Trung Quốc là nhà sản xuất và xuất khẩu lớn nhất.

• Mỹ, Nga, Canada, Nhật Bản và Peru có khả năng tinh chế Tellurium nhưng chủ yếu dựa vào ngành luyện kim đồng để cung cấp.

Sản lượng Tellurium không tỷ lệ thuận với nhu cầu, vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào mức độ khai thác và tinh chế đồng – không thể “tăng” theo ý muốn.

4. Ứng dụng công nghiệp của Tellurium

Tellurium – tuy là nguyên tố hiếm nhưng lại sở hữu những tính chất vật lý và hóa học khó có thể thay thế trong nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại. Từ các hợp kim đặc biệt, năng lượng tái tạo đến vi điện tử và công nghệ quốc phòng, Tellurium đóng vai trò cơ bản trong việc tối ưu hóa hiệu suất, tăng độ bền và giảm chi phí sản xuất trong các ứng dụng công nghiệp quan trọng.

4.1. Ứng dụng trong ngành luyện kim và hợp kim

Tellurium được thêm vào các kim loại cơ bản như sắt, đồng, chì, nhôm, kẽm ở nồng độ thấp (~0,1–0,5%) nhưng mang lại tác dụng cải thiện tính chất cơ học rất rõ rệt:

Trong hợp kim chì:

• Chì Tellurium có độ cứng cao hơn chì thông thường mà không làm mất khả năng chống ăn mòn.

• Được sử dụng trong vỏ ắc quy axit chì, ống dẫn hóa chất, buồng phản ứng điện hóa, giúp tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.

• Tính ổn định tốt trong môi trường axit – kiềm nên đặc biệt thích hợp cho ngành công nghiệp chế biến hóa chất.

Bằng hợp kim đồng:

• Đồng Tellurium (CuTe) có tính dẫn điện tốt nhưng dễ gia công hơn nhờ độ dẻo của đồng nguyên chất giảm.

• Ứng dụng phổ biến trong: đầu nối điện, cực hàn TIG/MIG, bu lông điện, các bộ phận tiếp xúc nhiệt độ cao.

• Đồng Tellurium có thể được gia công chính xác bằng CNC mà không làm mất tính dẫn điện – rất quan trọng trong sản xuất linh kiện điện công nghiệp.

Bằng thép và sắt:

• Tellurium tăng độ bền và khả năng chống nứt ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trong ngành công nghiệp hóa dầu và động cơ phản lực.

• Khi được thêm vào thép không gỉ, Tellurium cải thiện khả năng chống ăn mòn và giữ cho bề mặt sáng bóng – đặc biệt quan trọng trong thiết bị y tế và thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ năng lượng mặt trời

Pin mặt trời Cadmium Telluride (CdTe):

• CdTe là vật liệu bán dẫn có vùng cấm lý tưởng (~1,45 eV) để hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn silicon trong cùng điều kiện.

• Sử dụng lớp CdTe mỏng (~1–3 µm) thay vì lớp silicon dày (~100–200 µm), giúp giảm chi phí vật liệu và tiêu thụ năng lượng sản xuất.

Ứng dụng thương mại:

• First Solar (Mỹ) là công ty hàng đầu về sản xuất pin CdTe, với hơn 30 GW được lắp đặt trên toàn cầu.

• Pin CdTe hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, góc chùm tia dưới mức tối ưu và ánh sáng tán xạ – lý tưởng cho các khu vực sa mạc hoặc nhiều mây như Tây Nam Hoa Kỳ, Ấn Độ và Trung Đông.

Ưu điểm so với pin silicon:

Tiêu chuẩn	pin CdTe	Pin silicon (tinh thể)
Hiệu suất nhiệt độ cao	Tốt hơn (~10–15%)	Suy giảm nhanh chóng
Chi phí nguyên vật liệu	Thấp hơn	Cao hơn
Thời gian hoàn vốn năng lượng	~6–12 tháng	~18–24 tháng
Tái chế vật liệu	Dễ dàng hơn, ít ô nhiễm hơn	Khó phân tách cấu trúc

Thử thách:

• CdTe chứa cadmium – một nguyên tố độc hại cần có quy trình tái chế chuyên biệt.

• Nguồn cung Tellurium hạn chế là rào cản lớn nhất cho việc mở rộng sản xuất toàn cầu.

4.3. Ứng dụng trong công nghệ điện tử, cảm biến và quốc phòng

Tellurium thể hiện tính chất bán dẫn độc đáo, đặc biệt khi kết hợp với các kim loại nặng như cadmium và thủy ngân để tạo thành các hợp chất HgCdTe, CdZnTe, PbTe.

Cảm biến hồng ngoại:

• HgCdTe (Thủy ngân Cadmium Telluride) là vật liệu nhạy cảm với tia hồng ngoại hàng đầu, có thể tùy chỉnh dải phổ hấp thụ (1–15 µm) bằng cách thay đổi thành phần cấu trúc.
• Dùng trong: Camera hồng ngoại nhìn đêm, kính viễn vọng thiên văn, thiết bị theo dõi tên lửa, radar quân sự, cảm biến nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc trong bệnh viện

Máy tạo tia X và tia gamma:

• CdZnTe (Cadmium Zinc Telluride) có khả năng chuyển đổi bức xạ ion hóa thành tín hiệu điện cực nhạy, được sử dụng trong: Máy quét an ninh sân bay, chẩn đoán ung thư và đo mật độ xương (DEXA), máy kiểm tra vết nứt trong ngành sản xuất máy bay

Thiết bị lưu trữ bộ nhớ:

Vật liệu chuyển pha sử dụng Tellurium có thể lưu trữ dữ liệu ở hai trạng thái rắn – thủy tinh hóa.

Các ứng dụng trong: PCM tốc độ cao (Bộ nhớ thay đổi pha), ổ cứng quang thế hệ tiếp theo, bộ lưu trữ lượng tử và thiết bị biên AI

Đặc biệt, các nhà sản xuất chip như Intel, IBM, Samsung đang đầu tư vào bộ nhớ sử dụng hợp chất SbTe, GeTe (antimon-telurium, germanium-telurium).

4.4. Ứng dụng trong hóa học, xúc tác và vật liệu tiên tiến

Chất xúc tác hóa học: Tellurium dioxide (TeO₂) là chất lưỡng tính và đóng vai trò là chất xúc tác trong các phản ứng oxi hóa khử, thường được sử dụng trong: Tổng hợp amin, oxime, epoxy, nâng cao hiệu suất polyme hóa trong ngành nhựa công nghệ cao

Quang học phi tuyến: TeO₂ có chiết suất cao, dùng trong các thiết bị xử lý sóng ánh sáng: Bộ lọc laser, bộ tách quang phổ, mạch quang tích hợp

Vật liệu hữu cơ chứa Tellurium: Đang nghiên cứu phát triển vật liệu nano có khả năng phân hủy sinh học, có tiềm năng ứng dụng trong y sinh học và y học cá thể hóa. Một số hợp chất Tellurium hữu cơ có đặc tính kháng khuẩn mạnh, mở ra hướng phát triển vật liệu đóng gói y tế thông minh.

5. Ưu điểm và nhược điểm của Tellurium

Lợi thế:

• Hiệu suất điện tử cao, ổn định nhiệt tốt

• Ứng dụng rộng rãi, không thể thay thế trong pin CdTe và cảm biến nhiệt cao cấp

• Có thể tái chế từ chất thải công nghiệp luyện kim

• Hợp kim tăng độ bền và cải thiện khả năng gia công

Nhược điểm:

• Dự trữ rất thấp và phân tán

• Giá biến động mạnh do phụ thuộc vào ngành đồng

• Một số hợp chất độc hại và cần được kiểm soát chặt chẽ

• Tái chế không phổ biến, phụ thuộc chủ yếu vào các nguồn chính

6. Vai trò chiến lược và thách thức trong tương lai

Tellurium đã được các quốc gia như Mỹ, EU và Nhật Bản liệt kê là “Yếu tố chiến lược” do:

• Nó là một mắt xích quan trọng trong năng lượng sạch, quốc phòng, vi điện tử và cảm biến công nghệ cao
• Hầu như không thể thay thế trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là CdTe và HgCdTe
• Nguồn cung quá ít, trong khi nhu cầu tăng nhanh trong thời đại công nghệ 4.0

Giải pháp được đề xuất:

• Tăng cường tái chế Tellurium từ bùn anode, pin hư hỏng và chất thải điện tử

• Đầu tư nghiên cứu dài hạn các vật liệu thay thế, đặc biệt cho các ứng dụng đòi hỏi an toàn sinh học

• Đa dạng hóa nguồn cung cấp, không chỉ phụ thuộc vào đồng mà mở rộng sang quặng thiếc, vàng, bạc

Tellurium – nguyên tố có thể bị “bỏ quên” trong sách giáo khoa phổ thông – đang trở thành một phần cốt lõi của công nghệ hiện đại. Mặc dù im lặng nhưng nó hiện diện trong pin mặt trời, chip nhớ tốc độ cao, camera hồng ngoại và hợp kim phòng thủ.

Với những đặc tính độc đáo và vai trò chiến lược, Tellurium đáng được quan tâm nhiều hơn trong các chính sách khai thác, R&D vật liệu và chiến lược năng lượng dài hạn của các quốc gia và doanh nghiệp công nghệ cao.