張云濤 駱一鳴 韓佳辰 王佳星 周金豪

摘要：能源環(huán)境問題一直都是人類發(fā)展路上的一個重要課題，隨著人口數(shù)量的不斷增長，對能源的需求量也隨之增大，與此同時，環(huán)境也受到了一定程度上的破壞。而稀土催化材料在廢氣凈化、環(huán)境凈化、催化燃燒和催化燃料電池方面都有所應(yīng)用。本文對稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進行探討。

關(guān)鍵詞：稀土催化材料?能源環(huán)境

一、稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢

稀土是我國發(fā)展經(jīng)濟的重要資源之一，隨著能源需求量的增大，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施行以及可持續(xù)發(fā)展設(shè)施的建成，稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的作用越來越重要，地位也越來越高，無論是在凈化方向上的研究還是在催化燃燒上的研究，稀土催化材料都顯示出來明顯的優(yōu)勢。稀土催化材料作為一種固體二氧化物，在凈化技術(shù)的研究中應(yīng)用廣泛。而且研究發(fā)現(xiàn)，輕稀土元素由于其獨特的電子層結(jié)構(gòu)，使其在化學反應(yīng)過程中表現(xiàn)出良好的助催化性能。因此，輕稀土用作催化材料是一條很好的稀土資源綜合利用出路。加強稀土催化材料的基礎(chǔ)研究既可以提高生產(chǎn)效率，又可以節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，在能源環(huán)境領(lǐng)域起著重要作用。

二、稀土催化材料目前在能源環(huán)境領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向

1.對機動車尾氣的凈化

隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平的提高，居民機動車的持有量大大增加，而機動車尾氣對城市環(huán)境的負面影響日益加劇，我國的能源使用量也隨之大大增加。2012 年， 在政府的倡導下， 凈化機動車尾氣的環(huán)保催化產(chǎn)品在各大城市投入使用， 且需求量每年都在上升。經(jīng)過不斷地研究推算，在汽車尾氣凈化器中加入稀土催化材料，可以減少貴金屬的用量，并保持非常高的凈化效率。稀土元素特有的電子層結(jié)構(gòu)可以劃分出氧化物與固體氧化物， 并在汽車尾氣在高溫條件下， 達到了一個極好的凈化效果。但對于稀土催化材料的用量作為最重要的一點，仍然在繼續(xù)研究推算中。

2.對工業(yè)廢氣的凈化

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)廢氣成為了空氣污染的主要污染源，經(jīng)過國內(nèi)外科學家們的研究實踐證明，氧化技術(shù)對處理工業(yè)廢氣是綜合經(jīng)濟效益和凈化技術(shù)的最佳選擇，而稀土催化材料更是因其突出的催化氧化特性而成為最佳選擇。不僅如此，稀土對于廢氣中的有毒物質(zhì)有更好的處理效果。對于成分更加復雜的廢氣來說，二氧化鈦所具有的光催化性被大部分學者認為是凈化廢氣的最佳選擇，但其有弊端，利用稀土元素的能級結(jié)構(gòu)可以很好地彌補這一缺陷，但在幾年前實現(xiàn)難度大，需要應(yīng)用納米技術(shù)的支持。隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)擁有很高的水平，二氧化鈦加稀土催化材料的組合將會擁有非常好的發(fā)展空間，對于廢氣處理將會有更好的處理效果。

3.對催化燃燒的作用

目前對于我國能源狀況來說，化石能源的使用仍然是主流，因為無可避免地使用化石能源，所以借助催化劑提高化石能源的轉(zhuǎn)化效率成為一個重要課題。而對于所需催化材料的要求很高，需要在高溫燃燒的情況下仍然保持自身穩(wěn)定和催化效果，稀土催化材料憑借其優(yōu)越的穩(wěn)定性在眾多催化材料中脫穎而出。但我們?nèi)孕柩芯肯⊥翆Υ呋瘎┑挠绊?，并進行實踐測試，以得到更加優(yōu)越的稀土催化材料，提高催化燃燒的效率。

4.對燃燒電池的作用

氫能作為新興能源，在燃燒電池方面應(yīng)用廣泛。大規(guī)模甲醇制氫已經(jīng)成為成熟工藝，而且更安全，更容易實現(xiàn)，適合我國的能源結(jié)構(gòu)。對于不斷研發(fā)的車載制氫方面，2004年國外科學家率先開始了車載制氫技術(shù)的研究，但經(jīng)過車載水制氫，甲醇-水蒸氣重整技術(shù)和金屬化合物重整技術(shù)等一系列的研究，最終在安全方面考慮下確立工業(yè)制氫轉(zhuǎn)至車載使用的途徑。對于稀土催化材料在燃燒電池方面，主體方向有兩個，一是將稀土催化材料做成載體，另一個是將含有鈣鈦礦型稀土復合氧化物做成催化劑。但在燃燒電池方面來說，需要對稀土催化材料的成分、耐腐蝕性、催化效率和電池壽命等多方面因素考慮。

三、稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的未來研究方向

我國稀土資源藏量豐富，但對于稀土的研究起步比起國外來說較晚，但其在能源環(huán)境領(lǐng)域、材料科學領(lǐng)域、催化科學領(lǐng)域等都有著重要的研究意義和實用價值，稀土元素自身特有的電子層結(jié)構(gòu)和催化性能使其成為重要的戰(zhàn)略資源和經(jīng)濟發(fā)展的重要資本之一。對于其未來的研究方向，我認為有以下幾點：

1.對稀土元素本身的研究，在其獨特的電子層結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性上更加深入的研究，爭取發(fā)現(xiàn)稀土元素更多的用途。

2.對稀土元素某一方向的特性進行深入研究，如對其催化性進行研究，研發(fā)出更適合某一工業(yè)方面或環(huán)境凈化的催化材料，令其功能最大化。

3.充分利用電子組態(tài)優(yōu)勢，稀土元素電子組態(tài)模式復雜， 且催化性能和穩(wěn)定性能非常好， 利用電子組態(tài)結(jié)構(gòu)可以改變催化物質(zhì)的表面形態(tài)， 使其完成種類豐富的催化模式。由此可見， 稀土催化材料在結(jié)構(gòu)、性能、元素組成上都具有很好的復合功效， 能夠保持穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，在這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的催化下， 其他氧化物質(zhì)、過渡金屬的相互作用能力也會有極大地增強。

四、總結(jié)

由上述所說，我們可以推測未來稀土催化材料將會在能源環(huán)境領(lǐng)域起重要作用。很早以前有學者就已經(jīng)注意到了稀土氧化物在催化作用上的特點，它在環(huán)境，工業(yè)，軍事領(lǐng)域都有著非常的前景，它在能源與環(huán)保的各個領(lǐng)域擁有優(yōu)勢：它能在高溫條件對汽車尾氣起到極高的凈化率并能以較高的是綜合經(jīng)濟效益凈化工業(yè)尾氣，能提高工業(yè)用能源的轉(zhuǎn)化效率，并能提高燃燒電池的利用率，稀土催化反應(yīng)工程的研究，稀土催化材料在反應(yīng)氣氛下的表面動態(tài)學的相關(guān)研究等等。但我國對稀土氧化物本身的催化作用的本質(zhì)研究比較膚淺，在稀土的基礎(chǔ)研究也相對落后，對于許多問題仍不清楚：4f電子組態(tài)的稀土元素氧化還原催化性能的本質(zhì)和規(guī)律，稀土型復合氧化物的獨特構(gòu)效關(guān)系，特定性能的稀土催化劑的研究等等，我國對于稀土的研究起步也較晚，但近年來我國一直在不斷追趕，已有了長足的進步，稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域，擁有著廣泛的應(yīng)用前景，符合黨的十八大以來，習近平總書記提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，我們要抓住國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機會，大力發(fā)展稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的研究，我國的能源環(huán)境技術(shù)快速提升，有利于我們面對未來越來越激烈的國際競爭

我國稀土資源較多，國外則相對較少，所以有關(guān)稀土催化的研究主要集中在我國，而且由于納米技術(shù)和材料科學等學科的發(fā)展，為稀土催化材料的研究提供了新的突破口。如果我們開展更細致入微的稀土催化材料的研究，尤其是能源環(huán)境領(lǐng)域，未來對我國對人類都是相當有益處的。

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