近日，中南大学田庆华、许志鹏教授团队在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》发表题为《Distribution coefficients of impurities in tellurium zone refining: correction from effective to apparent values》论文，系统介绍了研究院在高纯金属领域的最新研究成果。

论文封面：

标准引用格式：He Z Q, Xu Z P, Qiao J X, Tian Q H*. Distribution coefficients of impurities in tellurium zone refining: correction from effective to apparent values [J]. Separation and Purification Technology, 2026, 400:138453.

通讯作者：田庆华，中南大学教授

第一作者：何志强，中南大学博士研究生

作者及单位：

Zhiqiang He^{a, b, c}, Zhipeng Xu^{a, b, c}, Jinxi Qiao^{a, b, c}, Qinghua Tian^{a, b, c}

a. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China

b. National & Regional Joint Engineering Research Center of Nonferrous Metal Resource Recycling, Changsha 410083, China

c. Hunan Key Laboratory of Nonferrous Metal Resources Recycling, Changsha 410083, China

发表信息：Separation and Purification Technology (IF=9.0, JCR Q1)，2026，400：138453

全文链接 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138453

研究背景

高纯碲是红外探测、热电转换及化合物半导体等战略领域不可或缺的核心材料，其纯度直接决定器件性能。然而，同族杂质硒和硫因与碲性质极为相似，在区域熔炼过程中难以去除，成为制约纯度提升的关键瓶颈。传统研究依赖“有效分配系数”描述杂质行为，但该参数将热力学本征属性与熔区速度、扩散等动力学因素混为一体，数值波动大、难以横向比较，无法为工艺优化提供可靠理论指导。针对这一难题，研究院高纯金属团队创新提出“表观分配系数”新概念，通过BPS传质模型实现热力学与动力学的有效解耦。表观分配系数不随工艺条件变化，真实反映了杂质与碲的本征分离难易程度。该成果不仅为超纯碲制备提供了可直接指导工业设计的参数库，更将区域熔炼研究从经验试错推向机理驱动，对保障我国高端材料供应链安全具有重要意义。

研究亮点

1. 提出“表观分配系数”概念：突破传统有效分配系数热力学-动力学耦合局限，基于BPS模型成功解耦，实现杂质分配系数与工艺条件的分离，为区域熔炼提供本征参数。

2. 揭示氢气气氛多重增效机制：定量证明氢气不仅通过还原生成H₂Se/H₂S促进挥发，更优化固液界面传质环境，从热力学与动力学双维度降低表观分配系数。

3. 将区域熔炼从“经验拟合”推向“机理驱动”，所提出的解耦方法可推广至硒、铋、锑等稀散金属的高纯化制备机理研究，具有广泛学术价值与应用前景。

图文解析

图1 碲区域熔炼过程杂质偏析行为示意图

图1直观展示了区域熔炼过程中杂质在固液界面的偏析行为与熔区移动的关系。区熔提纯的核心在于利用杂质在固相和液相中溶解度的差异—即分配系数。当狭窄的熔区从左向右缓慢扫过碲锭时，固液界面处发生溶质再分配：分配系数小于1的杂质（如Cu、Pb）被排斥进入液相，并随熔区迁移方向逐渐富集于碲锭末端；而分配系数大于1的杂质则倾向于保留在固相中，聚集于碲锭首端。图中以红蓝渐变清晰标示了杂质浓度沿锭长的演化趋势—首端杂质贫化、末端杂质富集。这一偏析行为是区域熔炼实现提纯的物理本质，也是后续计算有效分配系数的实验基础。

图2杂质有效分配系数的拟合曲线(No atmosphere)

图2展示了在不同气氛条件（以无保护气氛为例）下，通过Spim模型拟合实验数据获得的杂质有效分配系数。图中以硒为例，呈现了其在三种气氛、三种熔区移动速度（0.5、1.0、2.0 mm/min）下的浓度分布实测点与理论拟合曲线。结果显示，氢气气氛下的拟合曲线与实测数据的吻合度最高，且有效分配系数值最低，而氮气气氛次之，无保护气氛最高。这一趋势清晰表明：氢气还原气氛不仅增强了杂质在界面处的分离驱动力，还显著降低了有效分配系数。同时，有效分配系数随熔区速度增加而升高的规律在各气氛下均成立，验证了BPS模型中动力学因素对偏析行为的调控作用。

图3 表观分配系数计算原理—ln((1-k_e)/k_e)与熔区速度的线性关系(No atmosphere)

图3揭示了从有效分配系数到表观分配系数的核心计算逻辑。根据BPS传质模型的线性化形式，ln((1-k_e)/k_e)与熔区移动速度v之间呈线性关系。以图中杂质铜（Cu）和铅（Pb）为例，分别在无气氛、氮气、氢气条件下绘制了三个数据点（v=0.5、1.0、2.0 mm/min）的拟合直线。直线的截距即为ln((1-k_app)/k_app)，由此可反推得到表观分配系数k_app；直线的斜率为-δ/D，反映了边界层传质特性。结果显示，在氢气气氛下，铜和铅的拟合直线截距最大（即k_app最小），表明其本征分离倾向最强；而无保护气氛下的截距最小（k_app接近1），分离难度最大。这一线性关系的良好拟合（R²均大于0.95）验证了BPS模型在本体系中的适用性，也证明了表观分配系数确实独立于熔区速度，成为可横向比较的本征参数。

图4 不同气氛下杂质表观分配系数对比图

图4对比了9种杂质（Se、Cu、Na、Al、Zn、Bi、Pb、S、Si）在三种气氛条件下的表观分配系数值。结果呈现两个趋势：第一，氢气气氛下的表观分配系数均最低，氮气次之，无保护气氛最高。例如，硒的表观分配系数从无保护时的0.29降至氮气时的0.20，再降至氢气时的0.12；铅则从0.09降至0.06再降至0.02。第二，不同杂质之间的表观分配系数差异显著，铜和铅的数值较小（<0.1），表明其易去除；而铝、锌、硅的数值较大（>0.15），提纯难度相对较高。该图为工业区熔工艺选择保护气氛及预测各杂质去除极限提供了直观的定量依据。

研究结论

以纯度为3N5的碲为原料，开展了区域熔炼实验，研究了熔区移动速度和保护气氛对杂质行为的影响。本研究创新性地提出了“表观分配系数”这一概念，相比传统有效分配系数，它能更准确、更具预测性地描述杂质的迁移行为。基于实验数据计算了表观分配系数，从而能够定量评估不同熔炼条件下的杂质偏析情况。主要结论如下：

（1）实验结果表明，氢气还原气氛下的区域熔炼提纯效果明显高于氮气气氛或无保护气氛。氢气保护与较低熔区移动速度的协同作用进一步提高了碲棒的纯度。在优化工艺条件下（熔炼3次，熔区移动速度0.5 mm/min，氢气流量0.5 L/min），杂质去除效率达到97.79%，碲纯度由3N5提升至5N3。

（2）通过将杂质沿碲棒的实际分布与理论模型进行拟合，确定了杂质的有效分配系数。在此基础上，计算了杂质的表观分配系数，从而更准确、更具预测性地描述了杂质的迁移行为。保护气氛通过增强杂质分离驱动力以及创造更稳定、阻力更小的动力学环境，显著降低了表观分配系数。表观分配系数是一个融合了热力学本征属性与动力学过程条件的创新性参数，为分析区域熔炼中的杂质偏析行为提供了一个综合性的理论框架。

作者介绍：

田庆华教授：

田庆华，中南大学教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授、国家重点研发计划首席科学家、国家优秀青年基金获得者。长期致力于高纯金属及半导体材料制备、复杂资源高效分离、二次资源循环利用等方面研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国际科技合作专项、湖南省重点研发计划及企业科技攻关项目26项。出版学术专著5部，发表SCI/EI论文100余篇，授权国家发明专利90项，获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖7项。

许志鹏教授：

许志鹏，中南大学教授、博士生导师，湖南省芙蓉计划青年人才、湖南省优秀青年基金获得者。主要从事高纯金属制备、稀贵金属高效分离提取等方面研究，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目及企业科技攻关项目等项目16项。出版学术专著1部，以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Hydrometallurgy等权威期刊发表学术论文30余篇，授权国家发明专利56件；获省部级一等奖3项。

何志强博士生：

何志强，中南大学冶金与环境学院2023级博士研究生，主要研究方向为区域熔炼提纯碲过程的基础理论及工艺优化研究。曾获得中南大学校长创新奖学金、一等学业奖学金、格林美创新奖学金，获得中南大学优秀学生、优秀党员、资源循环研究院优秀硕士、博士等荣誉称号。获得全国大学生冶金科技竞赛特等奖、一等奖等3项学科竞赛奖励，在Chem Eng J、Sep Purif Technol、T Nonferr Metal Soc、Metall Mater Trans B等知名期刊发表SCI论文9篇、EI论文2篇，在投SCI论文2篇，申请发明专利9项（授权5项）。作为学生负责/参与人参加国家重点研发计划、国家自然科学基金、企业攻关项目等纵横向课题8项。

（一审：何志强； 二审：秦雯琦； 三审：许志鹏）