评估高产率的镓和锗合成方法：基于文献计量学、系统方法的评估以及与可持续发展目标（SDGs）相契合的生命周期分析

《Materials Today Sustainability》：Evaluating high-yield synthesis methods for gallium and germanium: A bibliometric, systematic and life cycle assessment aligned with SDGs

　　S.U. Parvathy|Vysakh Kani Kolil|Appukuttan Saritha|Sambasivam Sangaraju|Krishnashree Achuthan
印度喀拉拉邦Kollam市Amritapuri的Amrita Vishwa Vidyapeetham网络安全系统与网络中心，邮编690525

**摘要**
镓（Ga）和锗（Ge）的合成在高科技应用中起着关键作用，包括半导体、光伏和光电子学。尽管它们至关重要，但Ga和Ge仍然相对稀有，天然储量有限且提取过程复杂，这使得其可持续合成成为研究的重点领域。本研究采用系统性和文献计量学方法，全面分析了当前Ga和Ge合成方法的趋势和进展。在最初检索的4151条记录中，有230项研究被选中用于深入分析，并作为本综述的基础。研究表明，该领域的研究兴趣日益浓厚，中国、美国等领先国家做出了重大贡献。其他重要发现包括高效高产合成方法的确定，这些方法得到了全面生命周期评估（LCA）的支持，该评估严格评估了酸化、全球变暖和矿产资源稀缺等主要环境影响类别。此外，本研究将研究趋势和LCA结果与可持续发展目标（SDGs）对齐，特别是SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 6（清洁水与卫生设施）、SDG 13（气候行动）、SDG 14（水下生命）和SDG 15（陆地生命），强调了Ga和Ge合成在应对全球挑战中的作用。鉴于它们的稀缺性以及在清洁能源、电信和新兴纳米技术方面的巨大潜力，Ga和Ge合成的可持续创新对于确保技术进步和环境责任至关重要。

**1. 引言**
镓（Ga）和锗（Ge）是各种工业领域中的关键材料，包括电子、电信和可再生能源技术[1][2]。它们独特的性质，如高电导率、光学透明度和与半导体技术的兼容性，使其在广泛应用中不可或缺[3][4]。这些应用包括半导体、太阳能电池、光纤、发光二极管（LED）和高频电子设备等[5]。随着对先进技术的需求不断增长，安全高效地合成这些元素的重要性日益凸显[6][7]。
最近，地缘政治格局发生了巨大变化，凸显了Ga和Ge等关键材料全球供应链的脆弱性[8][9]。欧盟已将镓（Ga）和锗（Ge）认定为关键原材料（CRMs），因为它们在光伏、半导体制造和先进电子等战略领域中发挥着重要作用。2023年发布了第五份欧盟关键原材料清单后，《关键原材料法案》（CRMA）[10]于2024年正式通过并公布，以加强欧盟对这些材料的安全和可持续获取的监管框架。该法案引入了多元化供应来源、提高回收率和循环利用以及与资源丰富国家建立战略合作伙伴关系等措施。这一政策框架突显了Ga和Ge的地缘政治和工业重要性，进一步强调了对其合成途径及相关生命周期环境影响研究的相关性。主要生产国，尤其是中国，实施了出口禁令，引发了人们对供应安全的担忧，并强调了发展国内合成能力的重要性[11][12]。这一发展加剧了各国提高自身对这些关键材料保障能力的紧迫性。在这种背景下，对先进合成方法的研究至关重要[13]。此类研究不仅确保了供应安全，还旨在提高材料纯度并推动各个技术领域的创新。
Ga和Ge的合成是一个具有重大学术和实际意义的课题[14][15]。有效的合成技术能够以较低的成本生产高质量的材料，这对于减少对不稳定国际市场的依赖至关重要。鉴于这些市场容易受到地缘政治紧张局势和供应中断的影响，这一点尤为重要。通过提高我们对Ga和Ge合成的理解和能力，行业可以保持竞争优势，并在高度依赖半导体技术和先进电子组件的领域推动技术进步。近年来，越来越多的研究关注与Ga和Ge合成研究方法相似的工业过程的能耗、排放和可持续性。Nezamoleslami等人[16]对使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料废物热解生产燃料进行了全面的生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）分析，确定了先进和简单热解方案中的关键环境热点和成本权衡。同样，Shamshirband等人[17]开发了一种混合人工智能模型（ANFIS-PSO）来预测燃烧烟气中的汞排放，展示了先进的数据驱动方法如何增强有害排放的监测和减少。这些研究强调了LCA、成本-排放分析和基于AI的预测方法在多个领域的应用日益广泛，但它们在Ga和Ge合成中的系统应用仍然有限。这一差距突显了需要整合环境、经济和技术视角的研究，以确保这些关键材料的可持续和安全生产途径。

**2. 方法论**
为了了解当前的趋势，我们采用了文献计量学分析方法。通过这种方法，研究人员能够研究某一研究领域内的主题、这些主题的趋势以及它们在大量文献中的相互关系[18][19][20][21]。文献计量学分析通过使用出版数据在研究领域内构建知识网络[22][23][24]。为了确定研究主题和可能的未来研究方向，该方法还利用了先进的文本挖掘工具。所有数据，包括机构、期刊、关键词、领域和引用，在研究过程中都被考虑在内[25][26][27]。我们使用了VOSviewer[28]软件应用程序来研究和分析文献计量数据。这种方法已被用于多个研究，以分析不同时期的不同研究要素[29]。
借助VOSviewer，我们进行了共现分析和文本挖掘，记录并研究了同行评审出版物中涵盖的各种研究主题和领域。VOSviewer分析所考虑的时间范围与本研究中从Scopus数据库检索到的出版物范围相同。VOSviewer用于对Scopus数据集进行文献计量映射，包括关键词共现分析、合著网络和引用分析。该工具直接应用于导出的Scopus数据（CSV格式），无需修改数据集，从而能够可视化关系和研究趋势。关于PRISMA协议，它被用来确保文献选择过程的透明和系统性。该协议指导了识别、筛选、资格确认和纳入阶段，明确了最终出版物集合是如何从初始搜索结果中得出的。我们还对PRISMA协议进行了以下说明：
使用PRISMA协议（图2）系统地识别了出版物。使用以下搜索字符串TITLE-ABS ((“germanium” OR “gallium”) AND (“synthes”)) AND PUBYEAR > 2013 AND PUBYEAR < 2025 AND (LIMIT-TO (LANGUAGE, “English”) AND (EXCLUDE (DOCTYPE, “dp”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “tb”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “ed”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “sh”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “no”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “le”) OR EXCLUDE (DOCTYPE, “er”)*)从SCOPUS数据库中识别出4182篇论文。排除了非研究记录，如撤回论文、勘误表和社论，最终得到4151篇论文。随后通过筛选出版物的标题和摘要来评估这些记录的相关性。
根据PRISMA框架，筛选过程确保了研究的透明和可重复性选择。在资格确认阶段，不符合SDGs的记录被剔除，剩下1595篇论文。其中，又有1365篇论文因未提及合成方法而被排除。最终，有230篇研究被选中纳入综述。这一系统过程不仅将数据集缩减到最相关的论文，还将文献选择与研究问题对齐，重点关注合成方法、通过LCA评估的环境影响及其与SDGs的对应关系。

**2.1. 与SDGs的对齐**
然后将4151篇论文导入SciVal，直接将其与SDGs进行映射[30]。这一选择受到了许多SDG映射倡议的影响，如Aurora-Network-Global的SDG-Queries[31]、奥克兰大学的SDG映射[32]和Elsevier的SDG映射倡议[33]。选择Elsevier的SDG映射倡议主要是因为它易于与SCOPUS集成，SCOPUS使用了一种经过专家评估的机器学习模型，并为每个SDG提供了预制定的搜索查询。Elsevier采用两步过程来确保研究文章符合SDGs。首先，他们使用精心挑选的SDG搜索词列表。这些问题包括与每个SDG及其目标相关的术语和短语。用户可以使用查询将多个SDG链接到单篇文章。许多研究应用了准确的SDG映射技术来研究新领域的研究趋势。这些研究表明了如何将SDGs映射到出版物上，以考察这些发展中的领域文章与SDGs的相关性和影响。在4151篇论文中，有1595篇论文被映射到了SDGs。**合成过程和原料的识别**
在1595份与可持续发展目标（SDGs）相关的文档中，系统分析了230份基于合成方法的文档，以确定镓（Ga）和锗（Ge）合成方法中的关键原料和工艺（详细的生产过程见第3.5节）。该分析有助于根据效率、可扩展性和产量对不同的合成方法进行分类，包括湿法冶金、火法冶金、电解法和热还原法。分析结果为选择高产量的合成方法提供了依据，随后通过生命周期评估（LCA）进一步评估了这些方法的环境性能。

**2.3 生命周期评估**
在对230份文档进行系统审查后，利用收集的原料数据，通过LCA评估了高产量镓和锗合成方法的环境影响。LCA是一种成熟的方法，用于评估产品或工艺从原材料提取到处置整个生命周期中的潜在环境负担[34][35]。本研究的LCA遵循ISO 14040[36]和ISO 14044[37]标准进行，确保方法的一致性和透明度。功能单位定义为1克镓和锗，从而能够标准化地比较每单位产品的环境影响。系统边界（图3）涵盖了从原材料处理到精炼的一克镓和锗的生产过程，包括能源使用和化学投入。下游过程、使用阶段、寿命终结（EoL）以及废物处理或处置活动不在本研究范围内。LCA采用全球平均参考地理数据进行，反映了镓和锗供应链的国际性质。

生命周期清单数据主要来自ecoinvent v3.7.1数据库，用于分析镓（见补充文件S1）和锗（见补充文件S2）的环境影响，该数据库提供了与研究过程相关的高质量、经过同行评审的数据集。必要时，使用已发表文献中的补充数据来填补数据空白。LCIA采用ReCiPe 2016方法进行，该方法允许评估多种影响类别，包括气候变化、人类毒性、资源枯竭和生态系统质量。通过将LCA与关于高产量方法的系统研究结果相结合，本研究提供了对镓和锗合成环境足迹的全面评估，有助于开发更可持续的生产策略。在本研究中，ReCiPe 2016方法被用来评估选定的合成过程的环境影响。ReCiPe是最广泛认可的LCIA方法之一，可将LCI结果转化为中点和终点水平的环境影响得分[38]。中点指标通过考虑特定环境问题（如气候变化、臭氧层损耗等）提供了问题导向的视角（见表3、表4）。这些中点可以汇总为终点指标，代表分为三个保护领域的损害导向视角：人类健康、生态系统质量和资源稀缺性。通过应用ReCiPe 2016，本研究提供了对镓和锗合成方法相关环境负担的全面评估。这种方法不仅确保了一致性和可比性，还有助于将环境影响结果与更广泛的可持续发展目标对齐。

**2.4. 重要性分析**
重要性分析也被用来识别镓和锗研究领域的新兴主题[39]。该分析使用定量指标从出版物列表中识别出新兴或有影响力的研究主题。在本研究中，我们使用了所有已映射到SDGs的1595份文档，并识别出排名在前99百分位的主题群。这提供了关于研究优先事项演变的见解，强调了跨学科努力在开发可持续和高效生产技术中的重要性。该方法不仅认可了关键贡献，还绘制了研究格局，深入了解了合成方法中的创新驱动因素[40]。

**3. 结果与讨论**
**3.1. 镓和锗的研究出版物增长**
针对关于镓和锗研究主要趋势和模式的RQ 1，图4显示出版物数量持续增加，表明人们对镓和锗研究的兴趣和影响正在增长。将当前的研究状况与其早期阶段进行比较时，尤其明显的是出版物数量呈上升趋势。起初，相关出版物不多，但随着时间的推移，出版物数量显著增加，形成了目前的庞大数量。越来越多的科学家和研究人员正在更详细地研究这些因素，这一趋势得到了体现。总体而言，数据讲述了镓和锗研究的发展及其日益重要的故事，展示了这些领域对学术界的重要影响，并强调了它们作为科学研究主要话题的重要性。对镓和锗研究的日益关注凸显了它们在未来的技术进步以及各种应用中的关键作用。

**3.2. 出版物的地理分布**
为进一步回答RQ 1，图5(a)表明，镓和锗研究出版物的主要国家包括既有的研究中心和新兴的研究中心。中国以37,752篇出版物、17,035次引用和1.3526的显著标准化引用分数成为最大的贡献者，凸显了其在该领域的重大影响和丰富产出。美国紧随其后，拥有35,984篇出版物和17,768次引用，反映了其长期领导地位和有影响力的研究存在。其他值得注意的贡献者包括德国（29,588篇出版物和0.934的标准化引用分数）和日本（9,853篇出版物和4,948次引用）。英国和印度也表现出色，分别贡献了18,223篇和15,559篇出版物。此外，澳大利亚和韩国等国家的强大研究产出和高引用指标进一步突显了全球范围内对镓和锗研究的关注。这些国家的贡献对于推进对这些材料的理解和发展至关重要，展现了多样化和协作的国际研究格局。

**3.3. 顶尖作者**
进一步探讨RQ 1，对镓和锗研究领域顶尖作者的分析（见图5(b)）突出了重要贡献者及其学术影响力。例如，Chen H.、Chen L.和Kalantar-Zadeh K.等作者因其较高的总链接强度和引用次数而成为有影响力的学者。Kalantar-Zadeh K.的总链接强度为6,898，引用次数达到1,523次，凸显了他们在研究社区中的关键作用。其他著名作者如Li D.和Liu J.的工作也受到了广泛关注和引用。平均出版年份的多样性表明这些研究人员持续且不断发展的贡献，许多人在近年来保持了稳定的影响力。这些数据共同强调了镓和锗研究的动态和协作性质，由一群多产且高被引用的作者推动。

**3.4. 顶尖机构**
对镓和锗研究做出贡献的顶尖机构在全球范围内具有多样性，反映了这些研究的跨学科和协作特性（见图5(c)）。中国科学院及其上海分院做出了重大贡献，体现了中国在该领域的坚定承诺。中国科学院大学、清华大学和复旦大学进一步凸显了中国在这一研究领域的领先地位。在美国，阿贡国家实验室、西北大学和特拉华大学等机构也做出了显著贡献，展示了该国强大的研究基础设施。牛津大学和伦敦大学学院代表了英国在这些材料研究中的积极参与。日本的研究成果由大阪大学和京都大学体现，而德国的贡献则体现在明斯特大学和马克斯-普朗克固态化学物理研究所。俄罗斯的研究能力由俄罗斯科学院和莫斯科罗蒙诺索夫州立大学展示。澳大利亚的代表性机构包括新南威尔士大学和RMIT大学，它们在这一领域取得了显著进展。此外，华沙大学和华沙工业大学等机构也体现了波兰研究的增长。这些机构共同推动了镓和锗的科学理解和技术应用。

**3.5. 镓和锗的合成方法**
RQ2探讨了基于产量、效率和可扩展性的主要镓和锗合成方法。下面章节（第3.5.1节和第3.5.2节）提供了这两种元素的提取和精炼途径的详细讨论，进一步强调了与其生产相关的主要技术进步和挑战。

**3.5.1. 镓的合成**
镓的提取方法因原料不同而异，每种技术都面临特定的挑战（表1）。例如，拜耳法采用碳酸化反应，利用二氧化碳从溶液中沉淀出镓，然后通过电解进行纯化。然而，这种方法需要大量的二氧化碳（大约每公斤镓需要4.4吨），并且通常产量较低[41]。另一种方法是石灰处理，可以形成富含镓的沉淀物，但难以去除过量的铝酸盐。历史上曾使用汞阴极电解法制备镓-汞合金，但由于汞的毒性和高成本，这种方法已不再受欢迎[41]。离子交换技术因其高回收率和低污染风险而受到青睐，能够有效从碱性溶液中提取镓。在氧化铝生产副产品红泥的背景下，高温浸出工艺可以提取镓，但由于产生腐蚀性废物而引发环境问题。酸浸出结合离子交换技术的回收效率高达94.8%，但也存在酸消耗和废物管理方面的挑战[42]。此外，粉煤灰和电子废弃物是镓回收的新来源；例如，从粉煤灰中提取镓的方法可以获得高产量和高纯度（图6）。另一方面，基于氧化磷的电子废弃物提取方法表现出色，纯度达到98%，同时通过真空冶金法实现环保回收，不会产生二次污染物。总体而言，尽管几种方法在镓回收方面表现出高效率，但它们往往伴随着环境和经济挑战，需要解决才能实现可持续实施[42]。镓的独特性质使其在各种高科技应用中成为关键材料[43]。其最重要的用途之一是在半导体行业中，可以形成砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）等化合物[44]。这些材料对于高性能电子产品至关重要，包括集成电路、射频组件和光电子器件。基于GaN的半导体在功率电子和高频应用中表现出色，因为它们具有优异的效率、高热稳定性和能够在较高电压下工作，使其成为5G通信网络、电动汽车和卫星技术的理想选择[45][46]。

**表1.**不同来源中镓（Ga）的主要提取方法。

| 来源 | 方法 | 步骤 | 解释 | 效率 | 挑战 | 参考文献 |
|--------------|---------------------------|--------------------------------------|-----------------|----------------------------------|-------------|
| 拜耳法 | 碳酸化（CO2沉淀） | 使用CO2沉淀镓；通过电解获得纯镓 | 每千克镓需要4.4吨CO2；产量低 | [47], [48] | |
| | 石灰处理 | 使用CO2和石灰乳形成富镓沉淀物 | 过量铝酸盐的去除较为困难 | [49], [50] | |
| | （a）汞阴极电解 | 使用汞作为阴极形成镓-汞合金 | 有毒且成本高；已不再使用 | [51], [52] | |
| | （b）钠汞合金电解 | 使用钠汞合金代替汞以提高效率 | 避免汞电解的低电流效率 | [53], [54] | |
| | 溶剂萃取 | 使用有机磷和羧酸分离镓 | 反应速率低，存在乳化问题 | [55], [56] | |
| | 离子交换 | 基于树脂的方法，使用功能基团 | 回收率高，污染少 | [57], [58] | |
| | 拜耳-氢石榴石法 | 高温高压浸出提取镓 | 效率中等；存在环境问题 | [59], [60] | |
| | 酸浸出+离子交换 | 酸浸出后使用离子交换树脂选择性吸收镓 | 效率94.8% | [61], [62] | |
| | 顺序萃取 | 分步去除铝、铁、镓和钒 | 镓回收率96.4% | [63], [64] | |
| | 生物浸出 | 使用黑曲霉提取镓 | 浸出效率54%；仍在研究中 | [55], [65] | |
| | 溶剂萃取+铁载体技术 | 基于HCl的浸出结合选择性镓回收 | 镓回收率80% | [66], [67] | |
| 粉煤灰 | 破碎 | 破碎粉煤灰以增加表面积并提高提取效率 | 能耗高；需要优化条件 | [68], [69] | |
| | 磁选 | 去除铁和其他磁性杂质以提高镓回收率 | 回收率83%；并非所有铁都被去除，需要额外掩蔽步骤 | [70], [71] | |
| | 浸出 | 使用酸（H2SO4, HCl）或碱（NaOH）从粉煤灰中浸出镓 | 根据条件，镓回收率60%–90% | [72], [73] | |
| | 过滤 | 从含镓浸出液中分离未溶解的固体 | 提高镓溶液的纯度 | [74], [75] | |
| | 树脂吸附II | 使用离子交换树脂选择性吸附镓 | 镓回收率90%，选择性高 | [76] | |
| | 树脂洗脱 | 使用洗脱液从树脂中剥离镓 | 洗脱步骤中镓回收率80%–90% | [77] | |
| | 铁掩蔽 | 化学试剂（如草酸盐）与铁结合，防止进一步分离镓时的干扰 | 减少污染，提高镓纯度 | [78] | |
| | 树脂吸附III | 进一步吸附以去除剩余杂质并浓缩镓 | 进一步提高镓的浓度和纯度 | [79] | |
| | 调节碱度 | 调节pH值以准备镓的电解 | 确保电解条件适宜 | [80] | |
| | 过滤II | 最终过滤以去除电解前的残留固体 | 提高电解前的镓纯度 | [81] | |
| | 电解 | 通过电解过程将镓从溶液中还原为金属形式 | 高纯度 | [82] | |

电子废弃物：
- 方法（a）：基于氧化膦的提取 | 使用Cyanex 923分离镓 | 镓纯度98% | [83], [84] | |
- 方法（b）：真空冶金 | 绿色高效的镓回收方法 | 回收率93.48%，无二次污染物 | [55], [85] | |
- 方法（c）：机械化学焙烧 | 焙烧后进行浸出 | 效果显著但可能造成环境污染 | [70] | |
- 方法（d）：浸出+纳滤 | 氢冶金结合膜分离 | 高效且环保 | [86] |

图6. 从粉煤灰中合成镓的流程图 [87]。
图7. 使用三辛基胺（TOA）和酒石酸从锌精矿中提取锗的流程图。

表2. 不同来源中锗（Ge）的主要提取方法。

| 来源 | 方法 | 解释 | 效率 | 挑战 | 参考文献 |
|--------------|---------------------------|--------------------------------------|-----------------|----------------------------------|-------------|
| 锌精矿 | 方法（a）：焙烧、浸出、杂质去除、电积 | 顺序湿法冶金过程，从闪锌矿中回收锗 | 初始回收率94%，浸出液中含96%的锗，通过Waelz热处理法回收60±10% | [2], [58] | |
| | 氧压浸出+电积 | 改进从锌矿中回收锗的替代方法 | 浸出液中含93%的锗，回收率较高 | [88], [89] | |
| | 溶剂萃取（Kelex 100, LIX 63, Cyanex 301） | 使用有机溶剂提取锗 | Cyanex 301同时提取锌和铜，不适合提取锗 | [90], [91] | |
| | 离子交换萃取（硫酸盐-硫氰酸盐溶液） | 使用离子交换树脂选择性提取锗 | 使用LIX 63和D2EHPA从硫酸溶液中提取95%的锗 | [92] | |
| | 三辛基胺（TOA）和酒石酸萃取 | 新的高效方法，使用TOA和TBP | 回收率99%，方法有前景 | [93], [94] | |
| | 原料准备 | 处理原材料（锌残渣）以提取含锗溶液 | 杂质会影响提取效率 | [95] | |
| | 溶剂萃取 | 使用TOA从溶液中选择性提取锗 | 高锗回收率（90%） | [96] | |
| | 浸出 | 使用酒石酸作为剥离剂将锗从有机溶剂中分离 | 有效去除TOA相中的锗 | [97] | |
| | 净化 | 去除铁和锌等杂质以提高锗纯度 | 提高产品质量和产量 | [88] | |
| | 沉淀 | 通过调节pH值将锗沉淀为氢氧化锗 | 适当的pH控制下沉淀效率高 | [98] | |
| | 干燥和还原 | 将沉淀物干燥并用氢或碳还原为金属锗 | 需要控制温度和还原条件 | [99] | |
| | 溶剂回收 | 回收TOA和TA并重新用于提取过程 | 产生高纯度锗（99.99%） | [100] | |

煤炭处理：
- 方法（a）：汽化、冷却、加热、浸出或生物浸出 | 通过汽化和再冷凝从煤炭中浓缩锗 | 原煤中含1%的锗，通过浸出或生物浸出回收84% | [94], [101] | |
- 方法（b）：沉淀（H2S, CAT & CTAB） | 将锗转化为GeS2，随后焙烧为GeO2 | 镓沉淀率99%，焙烧后GeO2回收率91%–93% | [103] | |
- 方法（c）：从粉煤灰中提取锗 | 使用活性炭吸附 | 将锗转化为阴离子物种，提高吸附效果 | 4毫克（Ge）/克吸附剂，100%脱附 | [106] | |
- 方法（d）：邻苯二酚络合 | 环保的锗回收方法 | 效率90%，试剂可重复使用 | [107] |

3.6. LCA评估
在讨论镓（Ga）和锗（Ge）的合成方法时，生命周期评估（LCA）用于提供有关资源消耗、能源使用、排放等方面的宝贵见解。这些材料对于半导体和光伏等先进技术至关重要，通常涉及能源密集型和环境影响大的过程。通过应用LCA，研究人员和行业可以比较不同的合成方法，识别改进领域，并制定策略以减少环境足迹，使这些过程符合可持续性目标。

3.6.1. 与镓合成相关的影响
镓合成的LCA显示，在多个影响类别中存在显著的环境负担，其中某些处理阶段对这些影响贡献最大。在基于原料的各种方法中，从粉煤灰中提取镓的方法产量最高。对过程的每个步骤进行了LCA评估，发现碱度调节、浸出、过滤和树脂吸附是最具环境影响的步骤，这些步骤对气候变化、资源消耗和毒性水平有显著影响（表3）。这些步骤的特点是能源消耗高、释放有害物质以及大量使用不可再生资源，因此是优化可持续性的关键点。

- 全球变暖影响方面，碱度调节（1.37E?01千克CO2当量）和浸出（9.05E?02千克CO2当量）的排放量最大，这主要是由于这些步骤需要大量能源，可能涉及化石燃料燃烧和释放二氧化碳（CO2）及其他温室气体的化学反应。精炼和纯化步骤也涉及多个能源密集型操作，增加了镓生产的碳足迹。此外，过滤（5.22E?02千克CO2当量）和树脂吸附（4.86E?02千克CO2当量）过程中的排放进一步加剧了气候影响，因此需要转向更清洁的能源或优化工艺以减少排放。

- 空气质量恶化方面，平流层臭氧层破坏和细颗粒物形成是主要问题。浸出（3.57E?05千克CFC11当量）和过滤（3.44E?05千克PM2.5当量）对臭氧层破坏有显著贡献，这可能是由于释放了干扰臭氧层的挥发性有机化合物或卤化物质。同时，细颗粒物的形成主要受浸出（1.00E?01千克PM2.5当量）、碱度调节（9.62E?02千克PM2.5当量）和过滤I（7.99E?02千克PM2.5当量）过程中排放物的影响，表明这些阶段存在空气污染物。这突显了排放控制策略的重要性，包括改进过滤系统和选择替代试剂以减轻其影响。

- 酸化和生态毒性方面，碱度调节（7.53E?05千克SO2当量）导致陆地酸化，而浸出（6.79E?05千克SO2当量）和过滤（7.12E?05千克SO2当量）则是淡水/海洋生态毒性的主要贡献者。酸化潜力来自二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NO2）的排放，可能导致酸雨，危害土壤健康和植物生长。高生态毒性表明这些过程会释放重金属或化学残留物，进入水生和陆地生态系统，威胁生物多样性和生态系统稳定性。有效的废水处理和更严格的排放法规有助于减少这些有害影响。

- 人类健康方面，浸出（5.70E?01千克1,4-DCB）和树脂吸附（5.22E?01千克1,4-DCB）对致癌毒性有显著影响，而非致癌毒性（HnCT）主要由浸出（3.97E?02千克1,4-DCB）和过滤（2.57E?02千克1,4-DCB）引起，表明这些过程可能涉及或产生有害物质。高毒性值表明可能存在重金属或化学残留物，可能污染水源或进入食物链。鉴于这些风险，需要采取更安全的处理措施、改进 containment措施，并开发毒性较低的提取和纯化方法。

资源消耗也是一个重大挑战，特别是在矿物和化石资源方面。碱度调节（2.03E＋04千克Cu当量）是资源消耗最严重的步骤，表明镓提取对稀有原材料的依赖程度很高，这引发了关于长期资源可用性的担忧。浸出（3.31E+02千克油当量）和过滤（9.13E+01千克油当量）也对化石资源的稀缺性有显著贡献，这反映了这些过程所需的巨大能源投入，而这些过程主要依赖于不可再生的化石燃料。转向可再生能源和提高工艺效率有助于缓解这些资源枯竭的问题。最后，水资源消耗是一个关键的可持续性问题，其中过滤（3.82E-03立方米）和浸出（3.62E-03立方米）显示出最高的水资源需求。这些步骤中大量的淡水使用引发了人们对水资源短缺的担忧，尤其是在镓（Ga）生产集中的地区。优化水资源回收、减少工艺用水量以及实施闭环系统可以提高水资源利用效率和可持续性。

生命周期评估（LCA）的结果表明，在镓的生产过程中，对环境影响最大的步骤包括树脂吸附、浸出、过滤和碱度调节。在废物管理、污染减少、能源效率以及替代工艺开发方面进行有针对性的改进对于减轻这些影响至关重要。通过采用更清洁的制造技术和实践循环经济理念，该行业可以在保持镓作为现代应用关键组成部分的同时，减少其对环境的影响。

3.6.2. 铟（Ge）合成相关的影响
生命周期评估的结果还显示，不同阶段的铟合成过程中存在显著的环境负担。在不同的方法中，使用三辛基胺（TOA）和酒石酸从锌浓缩物中提取铟的方法具有较高的产率，因此对该方法进行了LCA分析。特别是在溶剂提取和原料准备阶段，化石资源的消耗、人类毒性以及全球变暖潜力尤为突出（表4）。这些阶段需要大量的能源输入，并涉及化学密集型工艺，使其成为生产链中对环境最不利的环节。溶剂提取过程对化石资源的消耗最大（1.45E+02千克油当量），这凸显了其对不可再生能源（主要是化石燃料）的严重依赖，而这些能源用于推动能源密集型的分离和纯化过程。原料准备阶段也显示出显著的影响（5.39E+01千克油当量），表明在提取前处理原材料需要大量的能源。此外，原料准备（4.36E+01千克铜当量）和溶剂提取（4.52E+01千克铜当量）过程中矿物资源的消耗也很明显，如果不对替代来源或回收策略进行采用，可能会导致关键矿物的长期枯竭。

人类毒性是另一个关键问题，其中溶剂提取（第二步）显示出最高的非致癌毒性（1.53E-02千克1,4-二氯苯）；原料准备（第一步）紧随其后（1.48E-02千克1,4-二氯苯）。高毒性值表明，在这些阶段处理有害化学物质、排放以及可能的职业暴露存在显著的健康风险。致癌毒性也有类似的趋势，在溶剂提取（2.41E-03千克1,4-二氯苯）和原料准备（2.29E-03千克1,4-二氯苯）阶段达到峰值，表明可能释放有害化合物，从而导致长期的健康问题。其他步骤，如剥离（9.71E-04千克1,4-二氯苯）和纯化（9.64E-04千克1,4-二氯苯）的毒性水平较低，表明最严重的人类健康风险发生在生产的早期阶段。严格的安全措施、改善的通风条件以及使用替代溶剂可以减轻这些不利影响。

全球变暖（人类健康）是另一个关键的影响类别，其中溶剂提取对气候变化的贡献最大（7.78E-04千克二氧化碳当量），其次是原料准备（5.27E-04千克二氧化碳当量）。这些阶段的高排放源于化石燃料的燃烧、挥发性有机化合物的释放以及化学处理步骤的能源需求。相比之下，干燥和还原（1.15E-04千克二氧化碳当量）对全球变暖的影响较小，表明铟合成的后期阶段对直接温室气体排放的贡献较小。对陆地生态系统的影响也呈现出类似的趋势，其中溶剂提取（2.35E-06千克二氧化碳当量）和原料准备（1.59E-06千克二氧化碳当量）占主导地位。这表明这些阶段的排放可能导致生物多样性和土壤健康的变化，因此需要采用更清洁的能源或提高工艺效率来遏制其影响。

与水相关的影响也带来了严重的可持续性挑战，特别是由于使用了耗水量大的提取和纯化技术。溶剂提取过程中的水资源消耗（5.22E-05立方米）最为显著，表明这一阶段对淡水资源的依赖性很大。此外，淡水生态毒性在溶剂提取过程中达到峰值（1.29E-06千克1,4-二氯苯），表明化学径流或残留工艺废物可能污染水体，对水生生态系统构成风险。同样，海洋富营养化（由于氮排放导致海水中的营养物质富集）主要由溶剂提取（9.17E-11千克氮当量）和原料准备（7.77E-11千克氮当量）驱动。这些发现指出，潜在的营养物质排放可能导致藻类大量繁殖和水质恶化，因此需要改进废物处理和闭环水系统来减轻这些影响。

因此，溶剂提取和原料准备阶段在铟合成过程中对环境的负面影响最大，显著加剧了资源枯竭、人类毒性和气候变化。这些过程的能源和化学密集性质使其成为可持续性干预的关键领域。相比之下，后期阶段如干燥、还原和溶剂回收的环境负担相对较低，表明优化早期处理步骤可以带来最大的环境效益。转向更节能的提取技术、采用可再生能源、提高溶剂回收率以及实施更严格的排放控制措施可以显著减少铟生产的环境足迹。

表3. 从飞灰中合成铟的步骤的LCA结果
影响类别 | 步骤
--- | ---
空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 |
| 第一步 | 碾碎 | 磁分离 | 浸出 | 第一次过滤 | 树脂吸附 | 第一次树脂洗脱 | 铁掩蔽 | 第二次树脂吸附 | 碱度调节 | 第二次过滤 | 电解 | GW,HH |
| | | | | | | | | | | | | | | |
| 第二步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第三步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第四步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第五步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第六步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第七步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第八步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第九步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第十步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第十一步 | | | | | | | | | | | | | | |

表4. 使用三辛基胺（TOA）和酒石酸从锌浓缩物中提取铟的LCA结果
影响类别 | 步骤
--- | ---
空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 |
| 第一步 | 原料准备 | 溶剂提取 | 剥离 | 净化 | 沉淀 | 干燥和还原 | 溶剂回收 | GW,HH |
| | | | | | | | | | | | | | | |
| 第二步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第三步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第四步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第五步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第六步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第七步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第八步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第九步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第十步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第十一步 | | | | | | | | | | | | | | |

3.6.2. 铟（Ge）合成相关的影响
生命周期评估的结果还显示，不同阶段的铟合成过程中存在显著的环境负担。在不同的方法中，使用三辛基胺（TOA）和酒石酸从锌浓缩物中提取铟的方法具有较高的产率，因此对该方法进行了LCA分析。特别是在溶剂提取和原料准备阶段，化石资源的消耗、人类毒性以及全球变暖潜力尤为突出（表4）。这些阶段需要大量的能源输入，并涉及化学密集型工艺，使其成为生产链中对环境最不利的环节。溶剂提取过程对化石资源的消耗最大（1.45E+02千克油当量），这凸显了其对不可再生能源（主要是化石燃料）的严重依赖，而这些能源用于推动能源密集型的分离和纯化过程。原料准备阶段也显示出显著的影响（5.39E+01千克油当量），表明在提取前处理原材料需要大量的能源。此外，原料准备（4.36E+01千克铜当量）和溶剂提取（4.52E+01千克铜当量）过程中矿物资源的消耗也很明显，表明如果不对替代来源或回收策略进行采用，可能会导致关键矿物的长期枯竭。

人类毒性是另一个关键问题，其中溶剂提取（第二步）显示出最高的非致癌毒性（1.53E-02千克1,4-二氯苯），原料准备（第一步）紧随其后（1.48E-02千克1,4-二氯苯）。高毒性值表明，在这些阶段处理有害化学物质、排放以及可能的职业暴露存在显著的健康风险。致癌毒性也呈现出类似的趋势，在溶剂提取（2.41E-03千克1,4-二氯苯）和原料准备（2.29E-03千克1,4-二氯苯）阶段达到峰值，表明可能释放有害化合物，从而导致长期的健康问题。其他步骤，如剥离（9.71E-04千克1,4-二氯苯）和纯化（9.64E-04千克1,4-二氯苯）的毒性水平较低，表明最严重的人类健康风险发生在生产的早期阶段。严格的安全措施、改善的通风条件以及使用替代溶剂可以减轻这些不利影响。

全球变暖（人类健康）是另一个关键的影响类别，其中溶剂提取对气候变化的贡献最大（7.78E-04千克二氧化碳当量），其次是原料准备（5.27E-04千克二氧化碳当量）。这些阶段的高排放源于化石燃料的燃烧、挥发性有机化合物的释放以及化学处理步骤的能源需求。相比之下，干燥和还原（1.15E-04千克二氧化碳当量）对全球变暖的影响较小，表明铟合成的后期阶段对直接温室气体排放的贡献较小。对陆地生态系统的影响也呈现出类似的趋势，其中溶剂提取（2.35E-06千克二氧化碳当量）和原料准备（1.59E-06千克二氧化碳当量）占主导地位。这表明这些阶段的排放可能导致生物多样性和土壤健康的变化，因此需要采用更清洁的能源或提高工艺效率来遏制其影响。

与水相关的影响也带来了严重的可持续性挑战，特别是由于使用了耗水量大的提取和纯化技术。溶剂提取过程中的水资源消耗（5.22E-05立方米）最为显著，表明这一阶段对淡水资源的依赖性很大。此外，淡水生态毒性在溶剂提取过程中达到峰值（1.29E-06千克1,4-二氯苯），表明化学径流或残留工艺废物可能污染水体，对水生生态系统构成风险。同样，海洋富营养化（由于氮排放导致海水中的营养物质富集）主要由溶剂提取（9.17E-11千克氮当量）和原料准备（7.77E-11千克氮当量）驱动。这些发现指出，潜在的营养物质排放可能导致藻类大量繁殖和水质恶化，因此需要改进废物处理和闭环水系统来减轻这些影响。

因此，溶剂提取和原料准备阶段在铟合成过程中对环境的负面影响最大，显著加剧了资源枯竭、人类毒性和气候变化。这些过程的能源和化学密集性质使其成为可持续性干预的关键领域。相比之下，后期阶段如干燥、还原和溶剂回收的环境负担相对较低，表明优化早期处理步骤可以带来最大的环境效益。转向更节能的提取技术、采用可再生能源、提高溶剂回收率以及实施更严格的排放控制措施可以显著减少铟生产的环境足迹。

表3. 从飞灰中合成铟的步骤的LCA结果
影响类别 | 步骤
--- | ---
空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 |
| 第一步 | 碾碎 | 磁分离 | 浸出 | 第一次过滤 | 树脂吸附 | 第一次树脂洗脱 | 铁掩蔽 | 第二次树脂吸附 | 碱度调节 | 第二次过滤 | 电解 | GW,HH |
| | | | | | | | | | | | | | | |
| 第二步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第三步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第四步 | | | | | | | | | | | | | | |
| 第五步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第六步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第七步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第八步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第九步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第十步 | | | | | | | | | | | | |
| 第十一步 | | | | | | | | | | | | |

表4. 使用三辛基胺（TOA）和酒石酸从锌浓缩物中提取铟的LCA结果
影响类别 | 步骤
--- | ---
空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 | 空单元 |
| 第一步 | 原料准备 | 溶剂提取 | 剥离 | 净化 | 沉淀 | 干燥和还原 | 溶剂回收 | GW,HH |
| | | | | | | | | | | | | | |
| 第二步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第三步 | | | | | | | | | | | | | |
| 第四步 | | | | | | | | | | | | |
| 第五步 | | | | | | | | | | | | |
| 第六步 | | | | | | | | | | | |
| 第七步 | | | | | | | | | | | |
| 第八步 | | | | | | | | | | | |
| 第九步 | | | | | 将可持续发展目标（SDGs）与镓（Ga）和锗（Ge）的相关出版物进行映射。括号中的数字表示与SDGs相关的出版物数量。下载：下载高分辨率图片（997KB）下载：下载全尺寸图片图9. 与SDGs对齐的镓的生命周期评估（LCA）结果。4.2. 镓和锗合成过程的LCA结果与SDGs的对齐为回答研究问题4，镓（图9）和锗（图10）的合成过程表现出显著的环境和资源相关挑战，这些挑战涉及多个SDGs。这些过程的影响与SDG 3、SDG 6、SDG 13、SDG 14和SDG 15高度相关。虽然这两种金属面临类似的环境问题，但影响的强度和分布在不同工艺阶段有所不同，突显了每种金属独特的可持续性挑战。就SDG 3而言，两种合成途径都对人类毒性和空气污染有显著贡献。镓合成过程中的浸出、树脂吸附和过滤阶段显示出较高的人类致癌和非致癌毒性值，以及细颗粒物的形成，增加了与污染相关的疾病（目标3.9）和呼吸系统疾病（目标3.4）的风险。锗合成在原料准备、溶剂提取和沉淀过程中也表现出毒性问题，并且还有来自电离辐射暴露的额外风险，这强调了需要更清洁的加工方法来防止长期健康危害。臭氧形成是这两种过程中的另一个主要因素，加剧了呼吸系统问题（目标3.2），进一步强调了实施排放控制策略的必要性。与水相关的环境影响使这两种合成过程都与SDG 6对齐，特别是在过度用水和污染方面。镓合成在浸出和过滤阶段表现出显著的淡水生态毒性和富营养化，而锗合成在溶剂提取和沉淀过程中也有类似的问题。这些过程威胁水质（目标6.3）并挑战水资源的可持续利用（目标6.4）。此外，这两种合成方法都会增加淡水生态系统的全球变暖潜力，危及水生生物多样性，突显了可持续水资源管理的重要性（目标6.6）。这两种金属的合成过程都是能源密集型的，通过大量消耗化石资源和温室气体排放促进了SDG 13的实现。在镓合成过程中，化石资源的稀缺性尤为明显，而在锗合成过程中，其提取和纯化过程也存在资源消耗问题。这两种情况都强调了需要整合可再生能源并提高资源效率，以符合目标13.2的要求，该目标提倡在工业实践中纳入气候缓解策略。此外，尽管在镓合成中更为明显，但平流层臭氧层的消耗也是锗生产中的一个问题，这突显了减少消耗臭氧层排放的必要性。由于两种合成过程中的海洋生态毒性和富营养化潜力，SDG 14受到了严重影响。镓合成，特别是在浸出和过滤阶段，存在化学物质流入水生生态系统的风险，增加了海洋污染（目标14.1）。同样，涉及剥离和沉淀的锗合成阶段也会导致有害的营养失衡，从而引发海洋富营养化。这两个过程都强调了采用先进的废水处理和排放控制措施以减轻对海洋生物多样性的负面影响的重要性。陆地生态系统也受到类似影响，这些合成过程与SDG 15对齐。镓合成中的浸出和树脂吸附阶段会导致陆地酸化和生态毒性，威胁土壤健康和生物多样性（目标15.3）。锗合成通过土地利用变化、酸化和臭氧形成也表现出类似的问题，强调了需要可持续的土地管理策略（目标15.1）。此外，这两种过程都会对陆地生态系统产生与全球变暖相关的影响，进一步强调了实施可持续工业实践的必要性，以防止长期生态退化（目标15.5）。总之，虽然镓和锗的合成过程都带来了重大的可持续性挑战，但它们的具体环境负担在不同阶段有所不同。镓合成在化石资源消耗和水毒性方面影响更为显著，而锗合成在辐射暴露和臭氧形成方面存在更高风险。应对这些挑战需要采取多方面的措施，包括采用更清洁的生产技术、提高资源效率以及制定更严格的环境法规。优化这些过程不仅能够减轻它们的负面环境影响，还能支持实现多个SDG目标的全球可持续性努力。5. 未来方向和意义5.1. 研究主题的突出性分析为了了解未来具有突出性的研究主题，我们对排名前1%的主题集群进行了突出性分析（图11）。我们确定了25个集群，这些集群提供了涵盖化学、材料科学、物理与天文学、医学等多个领域的研究主题的全面概述，这些主题是根据在镓和锗研究中系统映射的SDGs数量降序排列的。在这一分析中处于前沿的是“电催化剂；催化剂活性；氧气演化”这一集群，其突出性排名高达第99.999百分位。该集群也与SDG 7直接相关。紧随其后的是“二氧化碳；电解还原；电催化剂”和“太阳能电池；晶界；钙钛矿”集群，它们同样位于第99.999百分位，其中七篇文章与SDG 7相关。在“纳米粒子；光敏剂；光动力疗法”领域，研究活跃度达到第99.994百分位，SDG 9和13成为关键驱动力，反映了人们对可持续建筑实践和材料以及气候行动的日益关注。在“微波吸收；纳米粒子；石墨烯”集群中，SDG 13占据了主导地位，以确保清洁气候。“锂分子实体；离子导电性；固态电解质”这一集群也位于第99.994百分位，有20篇文章与之相关。接下来是“能量存储；纳米片；超级电容器”，位于第99.992百分位，有10篇文章，主要关注SDG 7。“纳米粒子；气体传感器；ZnO”集群有15篇文章，也关注SDG 7。然而，值得注意的是，一些主题集群的SDG映射较少或根本没有映射。这突显了在推进SDGs方面需要专业化和跨学科合作。下载：下载高分辨率图片（631KB）下载：下载全尺寸图片图10. 与SDGs对齐的锗的LCA结果。下载：下载高分辨率图片（714KB）下载：下载全尺寸图片图11. 前25个主题及其突出性百分位数和出版物数量。5.2. 对研究人员和实践者的影响对研究人员和实践者的影响主要集中在追求镓和锗的可持续生产和利用方面。一个关键焦点是探索旨在显著减少环境影响的合成方法。这需要重点关注减少酸化、全球变暖潜力和有害废物的产生，使研究工作与SDGs保持一致。具体来说，这涉及探索和开发替代溶剂和提取技术，以取代目前造成环境危害的方法。此外，鉴于电子废物量的不断增加，研究人员必须优先开发更高效且危害较小的方法来从这些来源中提取镓和锗，特别是改进固相提取和螯合离子交换树脂。深入了解这些元素的基本化学性质也非常重要，特别是在确定选择性提取的最佳阴离子交换技术方面。此外，使用离子交换方法进行顺序提取以可持续地提取多种金属是一个关键的研究领域。使用文献计量学和系统综述也被证明是一种有用的研究方法，可以评估趋势并确定未来的研究方向。另一个重点是工业环境中采取环境负责的做法。这包括优先实施减少废物和污染的合成和提取方法，以及积极推广电子废物回收和资源回收，以确保这些关键材料的更可持续供应。鉴于镓和锗的提取和加工带来的环境问题，工业界还应探索替代材料和技术，以减少对这些元素的依赖，从而可能降低环境和经济风险。实施基于离子交换树脂的提取方法也是提高资源回收效率的一种方法。此外，行业与研究人员之间的合作对于成功实施新的可持续合成和提取方法至关重要，以确保科学进步能够转化为实际的、可扩展的工业应用。本质上，研究人员和实践者都被敦促在镓和锗的生产和利用中优先考虑可持续性，共同努力开发创新解决方案，以最小化环境危害，同时支持长期的资源效率和经济效益。5.3. 对研究人员和实践者的未来研究方向建议有多种用于选择性地提取镓和锗的提取技术，多年来这些金属从各种来源的提取一直是研究的重点。溶剂提取被认为是镓和锗中最流行和广泛使用的提取技术。然而，这些金属在自然资源中的含量较少，但在各种工业应用中却起着关键作用，因此供需之间存在矛盾。因此，在提取过程中试图平衡产量和可持续性时，高效和选择性的提取非常困难。为了防止健康风险并确保实现SDGs目标，传统的提取技术如浸出、焙烧、有机溶剂提取等应进行大幅改进。此外，这些重金属不可生物降解，可能在土壤和水中长期存在，并可能进入食物链，造成多种健康问题。因此，建议重新利用来自电子行业的镓和锗。由于产生的有害副产品较少，建议使用基于离子交换树脂的提取方法。然而，使用有机溶剂是一个挑战；因此，寻找替代的溶剂系统来提取这些金属是非常必要的。应发现使用离子交换方法的顺序提取技术的进步，以确保以经济的方式从来源中可持续地提取多种金属（如锌、铁、铝、镓和钒）。因此，从可持续性的角度来看，回收电子废物以提取镓和锗是非常有益的。目前从电子废物回收镓和锗的方法是先浸出再提取。寻找从电子废物中提取镓和锗的不同方法是一个非常相关的研究课题，因为浸出会产生有害副产品。螯合离子交换树脂在螯合溶剂提取过程中非常有效，被认为是一种高效的提取镓的技术。然而，也有人认为配体功能化的吸附技术对提取锗更具选择性。为了高效且经济地生产镓和锗，必须进一步开发和研究固相提取方法。由于镓和锗与其他阳离子不同，需要对其化学性质进行更系统的研究，以确定最佳的选择性提取阴离子交换技术。6. 我们研究的局限性我们这项工作的局限性在于系统性和文献计量学分析仅基于Scopus数据库中的数据。选择Scopus的原因是它在文献计量学研究中的广泛应用及其与Web of Science的广泛重叠，大约99.11%的Web of Science索引的期刊也包含在Scopus中。探索其他生命周期方法，如社会生命周期评估（S-LCA）和生命周期成本评估（LCCA），可以为未来的研究增添更多价值。7. 结论最近，镓和锗的合成技术取得了显著的发展，这篇综述使用系统性和文献计量学方法对这些发展进行了全面探讨。研究结果表明，来自中国、美国、德国、日本和英国等领先国家的研究贡献显著。这些国家以及关键机构和作者建立了强大的合作网络，推动了该领域的创新。此外，文献计量学分析强调了研究集群与多个SDGs的对齐，特别是在清洁能源和工业创新等领域。这种对齐不仅反映了镓和锗合成对全球可持续性努力的重要性，还指出了优先考虑环境管理和技术进步的未来研究方向。该研究还强调了这些合成过程的环境影响，特别是酸化、全球变暖潜力和有害废物生成等问题，这些都是需要解决的挑战。LCA数据进一步揭示了高产率镓和锗合成方法在环境负担方面的显著差异。根据文献，从粉煤灰中提取镓和从锌浓缩物中提取锗被认为是高产率的合成方法。镓（Ga）的合成在大多数类别中都表现出显著更高的环境影响，尤其是由于其能源密集型的提取和纯化过程而具有较高的全球变暖潜能。它还对平流层臭氧层破坏、电离辐射以及各种形式的毒性有显著贡献，同时给生态系统带来沉重负担并导致资源枯竭。相比之下，锗（Ge）的合成对环境的影响要小得多，显示出更加环保的特性。生命周期评估（LCA）的结果与可持续发展目标（SDGs）相吻合，特别是在健康、水、气候、海洋生态系统和陆地生态系统方面具有重大影响。虽然镓的合成会导致更多的化石资源消耗和水质污染，但锗的合成在辐射暴露和臭氧生成方面存在更大的问题，这突显了制定特定于工艺的可持续性策略的必要性。减轻这些环境负担需要采取综合措施，包括采用更清洁的生产技术、提高资源利用效率以及制定严格的环境政策，以使这些工艺符合全球可持续性目标。为了进一步了解未来的研究方向，对排名前1%的主题集群进行了重要性分析，确定了关键的研究领域。“电催化剂；催化剂活性；氧气演化”这一集群的重要性最高，与可持续发展目标7高度契合，表明了对清洁能源技术的重点关注。同样，与二氧化碳减排、太阳能电池和能量存储相关的集群也显示出很高的重要性，反映了人们对可持续能源解决方案日益增长的兴趣。镓和锗的合成是一个动态且不断发展的领域，其特征是国际间的广泛合作、重要的研究成果以及对可持续性的高度重视。鉴于镓合成所带来的重大环境影响（尤其是LCA所强调的），以及重要性分析指向清洁能源和可持续技术的事实，继续探索这两种元素的环保合成方法将至关重要，特别是在镓方面，这有助于推动技术创新的同时减轻这些关键材料带来的环境影响。

**作者贡献声明：**
- S.U. Parvathy：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、数据分析、形式化分析。
- Vysakh Kani Kolil：撰写、审稿与编辑、可视化处理、方法论设计。
- Appukuttan Saritha：撰写、审稿与编辑。
- Sambasivam Sangaraju：撰写、审稿与编辑。
- Krishnashree Achuthan：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金筹集。

**关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明：**
在准备本作品的过程中，作者使用了ChatGPT来提升语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

**资金支持：**
本项工作由Amrita Vishwa Vidyapeetham资助。