稀土新材料

稀土新材料

介绍了稀土新材料在电动汽车、燃料电车等领域的应用及其对低碳技术的贡献。

0 引言

全球气候变暖所引起的日益恶劣的气候变化在近年来已成为不争的事实，人类已清楚地认识到自己对大气的破坏所带来的严重后果，大气中二氧化碳浓度升高带来的全球气候变化所造成的后果已逐年加重。在此背景下，“低碳经济”、“低碳技术”、“低碳发展”、“低碳生活方式”等一系列新概念应运而生。在电动汽车、燃料电车等多个重大低碳技术应用领域所必需的稀土新材料的发展变得迫切需要。论述了稀土新材料在电动汽车、燃料电车等领域的应用及其对低碳技术的贡献。

1 低碳技术与低碳经济

低碳技术是指涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等部门在可再生能源及新能源、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、二氧化碳捕获与埋存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术。“低碳经济”是以低能耗低污染为基础的经济。在全球气候恶化的背景下，“低碳经济”、“低碳技术”日益受到世界各国的重视。

2 稀土概述

我国是稀土资源最丰富的国家，稀土矿物种类齐全，稀土储量和产量均居世界首位。开发推广稀土应用不但有利于充分利用我国丰富的稀土资源、推动稀土产业的发展，而且有利于培育出具有中国特色的优势新产业。稀土的结构特性决定了其是低碳技术发展所必需的重要新材料。由于稀土所在的镧系元素具有不满的f 亚层，决定了它蕴含着许多特殊性质，这是其它元素不可替代的。

稀土是磁、光、电等功能材料的最佳载体，稀土的特殊性能也决定了它是低碳技术发展的重要动力。

3 稀土新材料的发展及其对低碳技术的推动作用

目前，稀土在冶金、高温超导材料、航空工业、轻工、纺织和建材工业、医疗等领域中都已得到普遍的应用，稀土的特殊性能使其成为国民经济发展所必需的重要新材料，稀土新材料对低碳技术的发展及对低碳经济的巨大贡献已成为不争的事实，如稀土催化剂、镧铈混合稀土金属－储氢合金－镍氢电池、氢燃料电池－动力车、电动工具、通讯工具等都存在稀土新材料的开发应用。

3.1 稀土新材料对汽车尾气净化作用

3.1.1 稀土汽车尾气净化催化剂的出现是低碳技术发展的必然要求

汽车作为现代文明的标志，极大促进了人类社会的进步与发展，但同时也给人类带来了许多严重的问题，如噪音、有害废气排放以及大量固态废弃物堆积等。随着汽车的普及和人们对汽车尾气污染危害认识的加深，要求控制汽车尾气污染的呼声越来越高。

汽车尾气净化催化剂是控制汽车尾气排放、减少污染的最直接有效手段。汽车尾气净化催化剂有多种，早期使用的是普通金属Cu、Cr、Ni 催化剂，这种催化剂的催化活性差，起燃温度高，易中毒，后来采用贵金属Pt、Pd、Rh 等作催化剂，这样提高了催化剂的催化活性和净化效果，但贵金属普遍存在价格昂贵的现象，有时净化催化装置达整车造价的十分之一，汽车成本增加太多，因此很难广泛推广，而且为防止贵金属催化剂铅中毒，汽车需使用无铅汽油。而含稀土的汽车尾气净化催化剂其特点是价格低、热稳定性好、催化活性高、使用寿命长，特别是这种催化剂具有抗铅中毒的特征，因此，越来越受到人们的重视，在汽车尾气净化领域备受青睐。

3.1.2 稀土汽车尾气净化剂的作用原理

汽车尾气中的有害成分主要有CO、HC、NO x。稀土汽车尾气净化催化剂所用的稀土主要是以氧化铈、氧化镨和氧化镧的混合物为主，稀土汽车尾气净化催化剂由稀土与钴、锰、铅的复合氧化物组成，是一类三元催化剂，具有钙钛矿、尖晶石型结构，氧化还原活性较高，其中氧化铈是关键成分。由于氧化铈的氧化还原特性，能有效地控制排放尾气的组分。净化汽车尾气的催化剂在汽车排气管内，借助于排气温度和空气中氧的浓度，对尾气中的CO、HC 和NO x同时起氧化还原作用，使其转化成无害物质CO2、H2O、N2。大量试验表明，稀土材料可以

有效抑制γ- Al2O3高温烧结，提高催化剂的耐热性能、抗中毒性能、持久性能和贵金属的分散性能，并改变催化剂的储氧能力等。

3.1.3 我国稀土汽车尾气净化剂的发展

目前三效催化剂是汽车尾气净化的最有效手段，我国正大力开发这个市场，来减小我国与国外在这方面的差距。北京理工大学爆炸与安全科学国家重点实验室用共沉淀技术制备出的Ce x Zr1- x O2 固溶体，将其用于Pd基三效催化剂的制备，HC，CO，NO 不仅具有最高的转化率，而且具有最低的起燃温度。天津化工研究设计院开发的具有自主知识产权的三效基催化剂GYM制备技术、三效催化剂用稀土储氧材料技术完成中试和产业化建设，汽车、摩托车尾气净化催化剂制备以及稀土储氧材料的发明等三项成果已申报中国发明专利。汕头大学化学系制备了低Pt、Rh 担载的稀土基催化剂体系，研究了贵金属担载量、催化剂高温老化和SO2 对催化活性的影响，结果表明该稀土催化剂在一定条件下，能满足汽车实际工况的要求。江苏无锡的威孚力达催化净化器有限责任公司自主研发的国Ⅲ排放标准汽车尾气纳米稀土催化剂，已成功在奇瑞、沈阳金杯、海马、北汽福田等车型上通过了国Ⅲ匹配试验，综合性能在国内处于领先地位。李岩峰等指出在Ce- Zr- O体系中添加少量其它金属元素可获得热稳定性高、比表面积大的固溶体。

稀土汽车尾气净化催化剂是低碳技术应用的典范，可以预测，稀土作为汽车尾气净化催化剂材料，在未来将会有很大的发展前景。

3.2 稀土新材料对汽车绿色环保的贡献

3.2.1 稀土镁合金有利于汽车节能降耗

低碳技术强调的是降低能耗、减少污染以改善人类赖以生存的环境。对大气造成极大污染的汽车，其节能性和环保性最有效的办法就是汽车轻量化。研究表明，一辆汽车的质量如能减轻10%，则其燃油消耗可降低3%~4%。镁是最轻的金属结构材料，稀土镁合金除具有传统镁合金质轻、减振降噪、抗电磁辐射、回收无污染等特点外，还具有耐热耐蚀、高强高韧、阻燃耐磨、易成型加工、抗高温蠕变等综合性能，是目前国际上最先进的新型结构材料，也是汽车结构轻量化，提高节能性和环保性的首选材料。因此，稀土镁合金已成为汽车材料未来的主要发展方向之一。