蘇更林

遲到“女神”終露“真容”

釩的英文名是Vanadium，據(jù)說是根據(jù)北歐神話中年輕美麗的女神“Vanadis”命名的。釩之所以被賦予如此浪漫的名字，源于其化合物的五彩紛呈。釩化合物的氧化態(tài)十分豐富，每個氧化態(tài)都對應一種特定的顏色。通常，釩化合物以+2、+3、+4、+5的氧化態(tài)存在，其溶液分別對應著紫色、綠色、藍色、黃色。

1801年，西班牙化學家、礦物學家德爾里奧發(fā)現(xiàn)了釩。當時，德爾里奧從釩鉛礦中提取了多種不同顏色的鹽類，這些鹽類經過加熱后變成了紅色。他認為這是因為其中含有一種新元素，因其色彩十分艷麗，因此將這種新元素稱為 “泛色”，意思是“所有的顏色”；又因其氧化鹽在加熱時會變成紅色，所以后來對其重新進行了命名，意思是“紅色”。

不過，當時有的化學家認為，這些紅色的鹽是被污染了的鉻礦物，而德爾里奧竟然接受了這樣的說法，因此沒有公布發(fā)現(xiàn)新元素的事情。

1830年，瑞典化學家塞夫斯特倫在研究鐵礦石時再次發(fā)現(xiàn)了這種元素。據(jù)稱，他是從用酸溶解鐵之后的殘渣中發(fā)現(xiàn)的。塞夫斯特倫認為，色彩豐富的新元素應當有一個浪漫的名字，因此，他把這種元素命名為釩，源自一位美麗的女神“Vanadis”的名字。

同年，德國化學家維勒認為，塞夫斯特倫發(fā)現(xiàn)的所謂新元素與30年前德爾里奧發(fā)現(xiàn)的元素應該是同一種元素，既然德爾里奧發(fā)現(xiàn)在先，就應該以德爾里奧的命名作為該新元素的名字。然而這個提議并沒有被采納，倒是塞夫斯特倫命名的“釩”被采納了。

至此，遲到了30年的“女神”，總算為釩元素一波三折的發(fā)現(xiàn)故事畫上了一個句號。不過“女神”到底長什么樣，當時并沒有人知道。隨著科技的進步，30多年后，世人才得以看見釩的“真容”。含釩的礦石有很多，色彩自然也很豐富。藏不住的釩之美，引來了不少科學家的圍觀和探索，只是很長時間以來，人們都沒能分離出單質釩。

直到1869年，英國化學家羅斯科在用氫氣還原二氯化釩時，成功制得了單質釩。1925年，美國化學家馬登和里奇在用金屬鈣還原五氧化二釩時，獲得了純度為99.7%的可鍛性金屬釩。

大千世界因釩而美麗

你或許會好奇彩色玻璃為何是彩色的。其實，彩色玻璃不是用染料直接染成的，而是在生產玻璃時添加了著色劑的緣故。這些著色劑大多為金屬氧化物，由于不同的金屬元素具有不同的光譜特征，因此不同的金屬氧化物就會呈現(xiàn)出不同的顏色。

作為玻璃著色劑，根據(jù)價態(tài)的不同，釩的氧化物可以呈現(xiàn)為黃色、黃綠色和藍色等。釩氧化物的著色能力不如鉻氧化物，所以玻璃最終呈現(xiàn)何種顏色，要由多種氧化物的共同作用來決定。當然，通過改變熔煉工藝參數(shù)來調節(jié)金屬元素的化合價，也可以調整玻璃所呈現(xiàn)出的顏色。

同樣的道理，彩色陶瓷的制作也需要用到著色劑。偏釩酸銨是一種白色或略帶淡黃色的結晶性粉末，在陶瓷工業(yè)中被廣泛用作釉料，也可用于制取五氧化二釩，還可用作發(fā)色劑、催化劑、催干劑、媒染劑等。偏釩酸銨用作發(fā)色劑最具代表性的產品是釩鋯藍，這是一種以釩為發(fā)色元素、以鋯英石為載色母體的人工合成著色礦物。釩鋯藍的色調為天藍色，主要用于坯用色料、建筑衛(wèi)生陶瓷色釉以及釉下彩裝飾等。

金屬釩的毒性很低，但其化合物多為高毒或中毒。隨著釩的化合價的升高，其毒性會增強，如5價釩的毒性要比3價釩的毒性大3～5倍。新一代環(huán)保材料釩酸鉍是一種亮黃色的無機化學品，適用于各種黃色交通標志物、汽車面漆、橡膠制品、外墻涂料以及塑料制品等的著色。但由于其價格較貴，故更多用于對呈色性能要求高的場合。

沒有釩鋼就沒有汽車

“汽車大王”亨利·福特曾說過：“沒有釩鋼，就沒有汽車?！焙螢殁C鋼？釩鋼就是以釩作為主要合金元素的合金鋼。對于福特來說，把釩鋼應用于汽車制造就是其走向成功的拐點。難怪有人說“釩鋼成就了福特”。

釩鋼能夠走進福特的世界，緣于一次意外的事故。1905年的一天，在美國佛羅里達州舉行的一場汽車賽事中發(fā)生了一起嚴重的車禍，被撞車輛為一輛法國產汽車。事故發(fā)生后，救援人員以及事故調查人員迅速趕到了現(xiàn)場。

當時，福特也在現(xiàn)場觀看比賽。在一片狼藉中，福特的視線被一塊發(fā)亮的碎片吸引了。他將這塊碎片撿起來看了看，又掂了掂……如此輕又結實的碎片到底是由什么材料制成的？福特悄悄地把這塊碎片放進了自己的口袋，希望能從中發(fā)現(xiàn)一些秘密。

調查報告很快就出來了。原來這是從事故車輛的閥軸上掉下來的碎片，其中含有少量的金屬釩。調查認為，事故車輛的閥軸使用含釩鋼材也許只是偶然為之，因為汽車上的其他部件并沒有全部使用這種鋼材。后來，了解到釩的特性后，福特將釩加入到了福特汽車的大家庭中。福特汽車的超級產品“T型車”取得成功的首要因素是技術創(chuàng)新，這要歸功于釩鋼在福特汽車中的應用。

要想大規(guī)模使用釩鋼，就需要有釩鋼的穩(wěn)定供應。20世紀初，釩的冶煉還是一個尖端研究課題，釩鋼在美國也還是一種新興材料。幸好，福特有兩個好朋友在秘魯擁有一座釩礦，并向歐美國家供應釩鋼產品。1907年，福特在朋友的幫助下建造了自己的釩鋼工廠，從而保障了福特汽車所需釩鋼的供應。

如今，世界釩產量的80%～90%都應用于冶金工業(yè)，足見釩在金屬材料生產中的重要地位。據(jù)悉，釩在金屬材料中的含量并不高，然而其作用十分明顯。高速切削鋼中的釩含量僅為0.5%～2.5%，工具鋼和機械制造用鋼中的釩含量僅為0.1%～0.25%，即便如此，釩的加入也能極大地改善合金性能，大幅度提高其強度。難怪，人們把釩譽為冶金工業(yè)的“維生素”。

釩在2008年北京奧運會的主體育場—國家體育場（“鳥巢”）的工程建設中也發(fā)揮了重要作用。如果使用普通鋼材，建設“鳥巢”約需用鋼8萬多噸；而使用含釩特殊鋼，用鋼量只要4萬多噸就夠了。用鋼量減少一半，安全性卻有增無減。

“鳥巢”所用鋼材是為其量身定制的高性能建筑用鋼，其核心是在鋼中添加了釩氮合金添加劑，從而把普通鋼變成了含釩特殊鋼。需要說明的是，制造釩鋼時，添加的釩往往是以釩鐵、釩氮合金的形式添加的。釩鐵、釩氮合金都是優(yōu)良的合金添加劑，能夠顯著提高和改善鋼材的綜合機械性能與焊接性能。

所謂釩鐵，指的是釩和鐵組成的鐵合金，是鋼鐵工業(yè)重要的合金添加劑。根據(jù)釩含量不同，常用的釩鐵合金添加劑主要有FeV40、FeV60和FeV80三種。釩氮合金也是一種新型合金添加劑，可以替代釩鐵用于微合金化鋼的生產。釩氮合金添加劑可以提高合金的強度、韌性、延展性及抗熱疲勞性等綜合機械性能。

素有“空間金屬”之稱的鈦合金，一向以重量輕、強度大、耐高溫而著稱。那么，釩和鈦又有什么關系呢？在自然界中，釩和鈦為共生關系。在鈦合金中，釩通常作為穩(wěn)定劑和強化劑，其作用就是讓鈦合金具有更好的延展性和可塑性。如，鈦—鋁—釩合金被廣泛用于制造飛機發(fā)動機、火箭發(fā)動機殼、太空船艙骨架、蒸汽輪機葉片以及導彈等。

始于煉丹術，成熟于“釩”

硫酸因其應用廣泛而被譽為“化學工業(yè)之母”。其實生產硫酸同樣離不開氧化釩的催化之助。正是釩觸媒的發(fā)明才奠定了接觸法制硫酸的主流地位，并滿足了日益增長的工業(yè)生產對硫酸的需求。

追溯硫酸的起點，可以發(fā)現(xiàn)，它并非近現(xiàn)代科技的產物。早在7世紀，我國關于煉丹術的早期著作《黃帝九鼎神丹經》中就有“煉石膽取精華法”的記載?！笆憽睒O有可能就是膽礬，即帶有5個結晶水的硫酸銅。將膽礬加熱，能得到什么呢？首先，膽礬會失去5個結晶水，而得到硫酸銅；進一步煅燒，可生成氧化銅和三氧化硫；三氧化硫與水發(fā)生反應后，就會生成硫酸。

大約在8世紀，阿拉伯人掌握了用干餾綠礬的方法來制取硫酸。綠礬就是含有7個結晶水的硫酸亞鐵。不過，到了16世紀，人類才開始認識硫酸的化學性質。此后，人們對硫酸生產的原料選擇以及工藝技術改進進行了長時間的探索和實踐。

1736年，英國人沃德通過在玻璃容器中加熱硫黃和硝石的混合物（比例為8：1）成功制取硫酸。1746年，英國人羅巴克利用同樣的原理，建成了世界上最早的鉛室法制酸模型，解決了生產容器易腐蝕、不耐壓的問題。此后，經過不斷改進和完善，鉛室法硫酸生產工藝成為近兩個世紀以來通用的硫酸生產工藝。

鉛室法硫酸生產工藝的主要原理：硫黃燃燒的主要產物為二氧化硫；而硝石在燃燒中生成的氮氧化物可以氧化二氧化硫，促成三氧化硫的生成；三氧化硫與水結合后，就生成了硫酸。硫酸生產的關鍵步驟是二氧化硫轉化為三氧化硫。從熱力學角度來看，二氧化硫與氧可以自發(fā)地進行反應；然而，從動力學角度來看，二氧化硫的轉化反應需要很高的門檻。在溫度為400～600℃的條件下，轉化反應速率非常緩慢，達不到工業(yè)生產要求的速率指標。因此，必須使用催化劑才能提高反應速率。

在早期的鉛室法硫酸生產工藝中，硝石的使用實際上就起到了催化劑的作用。不過這個過程需要在有氧氣和水的條件下才能進行，所以用這種方法生產出來的硫酸往往濃度較低，雜質含量較高，并且流程復雜，難以滿足染料、化纖、合成、石油、化工等行業(yè)的要求。

1831年，英國一位名叫菲利普斯的食醋制造商，在用裝有鉑的瓷管加熱硫黃時偶爾制得了三氧化硫并獲得專利。1875年，德國化學家麥塞爾將鉑應用于硫酸的工業(yè)化生產，進而開啟了接觸法硫酸生產工藝的新紀元。雖然鉑的催化活性很好，在低溫區(qū)的優(yōu)勢更為明顯，但由于其價格昂貴，易中毒失活，因此對原料氣的凈化要求很高?；谶@樣的情況，鉑在當時并沒有被廣泛應用于硫酸工業(yè)。

20世紀初，氧化釩催化活性的發(fā)現(xiàn)為接觸法硫酸生產工藝的迅速發(fā)展提供了指引。1913年，德國知名化工企業(yè)巴斯夫（BASF）研發(fā)出了添有堿金屬鹽的釩催化劑，為取代鉑催化劑創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)在仍在廣泛使用的釩催化劑就是以五氧化二釩為主活性成分、堿金屬硫酸鹽為助催化劑、硅藻土為載體的釩催化劑。

在硫酸生產中，每生產1噸硫酸大約需要7.26千克的釩催化劑。釩催化劑活化溫度為420～600℃，二氧化硫轉化率在90%以上，并且價格相對便宜，不容易發(fā)生中毒失活。除了硫酸生產，釩系催化劑還被應用于磷苯二酸酐、乙烯和丙烯橡膠等有機化合物的生產，也可用作石油工業(yè)的裂解催化劑。

儲能“新秀”到底有何不同

“雙碳”戰(zhàn)略的推進為釩的應用帶來了新契機。釩電池步入儲能方陣就是一個明確的信號，意義深遠。那么，發(fā)展釩電池產業(yè)具有哪些影響和意義呢？

釩電池作為一種儲能裝置，其優(yōu)勢在于“大規(guī)模”。實施“雙碳”戰(zhàn)略，首要任務就是大力發(fā)展清潔能源。然而，風能、光伏等能源存在消納難的問題，難免會出現(xiàn)棄電現(xiàn)象，解決這個問題的突破口就是大力發(fā)展儲能產業(yè)。

如今，成熟的電化學電池技術很多，如廣泛使用的鋰離子電池等，它們雖能儲能，但規(guī)模不大。為什么釩電池能夠大規(guī)模儲能呢？釩電池是利用不同價態(tài)釩離子之間的可逆轉化來完成充放電循環(huán)的，被稱為全釩液流電池。所謂液流電池，即具有“液體流動”特點的電池。就全釩液流電池來說，它實際上就是一種以釩為活性物質，通過液態(tài)電解質循環(huán)流動來工作的氧化還原電池。

說起釩電池的大規(guī)模儲能，我們不妨從化學能和電能之間的轉化說起。我們知道，傳統(tǒng)小容量電池的活性物質一般都是固定在電池內部的，這就限定了其儲能容量。而液流電池不一樣，比如釩電池所儲存的電能是以化學能的形式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液之中的。在充放電時，可以將儲罐里的電解液泵送至電池內部進行電化學反應，然后再流出來儲存到其他儲罐里。這兩個儲罐分別與電池的正負極相對應。不難看出，釩電池的功率與容量是各自獨立的，其功率由電堆特性決定，儲能容量則由位于電池之外的儲罐內的液體電解質體積決定。因此，釩電池就像一個“電力銀行”，其規(guī)模完全可以定制。

儲能裝置的安全性也是一個大問題。就目前的電化學儲能構成來看，鋰離子電池（如磷酸鐵鋰電池）約占90%的份額，但鋰離子電池的安全性是一個亟待解決的問題。在這樣的背景下，釩電池快速步入儲能方陣，說明了它在安全性方面具有一定的優(yōu)勢。這是因為釩電池的活性物質為釩離子的水溶液，并且在常溫、常壓下運行，因此不易發(fā)生燃燒和爆炸事故。

釩電池還具有其他方面的優(yōu)勢，如釩電池活性物質為液態(tài)，在充放電時發(fā)生的是均相反應，并且電極不參與化學反應，因此充放電循環(huán)壽命可超過1.5萬次。

另外，釩電池選址自由度大，并且可以全自動封閉運行，維護簡單，沒有污染。當然，它也存在初裝成本高、能量密度較低等劣勢，并且需要完善相關配套技術?？偟膩碚f，釩電池有功率大、容量大、儲能規(guī)模大、安全性高、壽命長、選址自由度大、綠色無污染等優(yōu)點。

我國具有豐富的釩資源，釩儲量居世界首位。大力發(fā)展釩電池，事關國家能源安全，發(fā)展清潔能源更需要大規(guī)模儲能裝置的保駕護航。發(fā)展“釩電池”的意義在于解決清潔能源的并網難題，并作為智能電網的重要組成部分，參與電網的“削峰填谷”以及改善供電質量等。

【責任編輯】諶 燕