稀土材料及其節能應用

葉羽錦　甘家毅　蔣藝

一、引言

稀土有“工業維生素”的美稱。如今已成為極其重要的戰略資源，也是賀州市重要的戰略資源。稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序數為57～71的15種鑭系元素氧化物，以及與鑭系元素化學性質相似的鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素的氧化物。

二、稀土永磁節能材料

燒結釹鐵硼永磁材料作為稀土永磁材料的第三代產品，是一種高剩磁、高矯頑力、高磁能積的實用新型永磁材料。主要應用于風力發電、變頻家電、節能電梯、汽車電機、其他工業節能電機等方面，對磁能積和嚴格要求輕薄短小的下游領域有不錯的效果。

我國的釹鐵硼的應用分為高科技用途、傳統用途和低檔用途。高科技用途包括混合動力汽車電機（HEV），永磁風力發電機，無刷直流電機，MRI，VCM，電動助力車（EAV）等。這部分用量增長最快，占我國釹鐵硼磁體消費的50%左右，近年來是拉動釹鐵硼磁體消費的主要動力。低牌號用途主要是在浙江慈溪等地生產的服裝、箱包用的磁性紐扣或家具上門吸等。在此方面的用途所占比例正逐漸降低，但總量仍逐年增加，因它作為廢料可以回收再利用，仍有一定的生命力。

釹鐵硼的傳統應用目前沒有衰退，隨著低碳經濟理念的到來，它正應用到新的領域。隨著新的應用領域還未得到完全開發，預計未來5年釹鐵硼行業全球仍將保持15%的增速，而我國有望保持20%的增速。

三、稀土發光節能材料

在照明領域，享有第四代照明光源美譽的固體白光LED，以其節能、環保和長壽命的突出優點受到越來越多的科研人員的關注，LED將成為21世紀新一代的環保節能光源。正是因為其有其他照明光源無可替代的優點，包括中國、美國、日本和歐洲在內的世界各國都加大了對這一領域的研究，都爭相搶占開發這一領域的知識產權。

與鹵粉熒光燈相比，應用了稀土發光材料的節能燈（稀土熒光燈）的光效更高，顯色性更好，使用壽命也更長，節能燈能夠在鹵粉熒光燈的基礎上節能30%～50%，顯色指數提高15%～40%，使用壽命增加三倍以上。2013年6月，中科院（財苑）應用化學研究所與成都四川新力光源股份有限公司合作研發的“發光余輝壽命可控稀土LED發光材料研發及其在半導體照明中的應用”成果，近日通過了由中科院組織的成果鑒定。專家組認為，該原創性稀土發光材料有效解決了國際上一直未能攻破的交流LED照明設備頻閃的問題，并實現了從基礎研究到產業化的跨越，達到了國際領先水平。同時也使中國成為世界上唯一掌握通過稀土熒光粉生產低頻閃交流LED產品的國家。

另外，稀土長余輝發光材料是一種新型環保節能材料，它能在吸收太陽光和燈光的能量之后，將部分能量儲存起來，然后緩慢地把儲存的能量以可見光的形式釋放出來。它在光源撤除后仍能長時間地發出可見光，且還具有耐高溫、耐摩擦、高強度、耐刻劃、阻燃、高化學穩定性等優良特性，是理想的節能環保長壽命光學材料，在建筑、交通和國防等領域有重要的價值。

四、稀土儲氫材料

燃料電池是氫能開發利用的最有效的方式之一。它是一種全新的綠色電池，通過氫和氧發生化學反應獲得電能，產物是水，具有能量轉換效率高、靜音和低排放等其他二次電池所無法比擬的優點。從20世紀90年代起國內外掀起了一股研究燃料電池的熱潮，特別是質子交換膜燃料電池，它將成為部分電動汽車和電動助動車的動力。

采用稀土儲氫合金為負極材料的鎳氫二次燃料電池，與傳統的鎳鎘電池相比較，鎳氫電池具有能量密度高、耐過充、充放電能力強、無重金屬鎘污染等優點。它廣泛應用于汽車、摩托車、自行車等交通工具及筆記本電腦、傳真機、數據錄入器等信息化產業中。此外，稀土儲氫合金在氫氣的分離提純回收運輸、熱泵、空調制冷、傳感器及驅動器等方面也有大量的應用。

鎳氫電池在電動工具和電動汽車領域正顯示出巨大的發展前景。最近幾年的汽車市場上，混合動力汽車的發展前景受到各方面的一致好評。各大合資和本土汽車廠商也紛紛推出混合動力汽車車型和開發計劃，國家發改委于2008年初適時為服務于奧運的奇瑞A5、一汽奔騰等混合動力汽車頒發了“準生證”，同時加緊制定混合動力汽車的鼓勵政策和相關標準，鼓勵混合動力汽車的發展。隨著技術的進步和廠商有針對性的推廣，中國混合動力汽車市場的大門將逐漸打開。

專家預計“十三五”期間，中國混合動力汽車市場將迎來井噴式增長，年均增長率將達到12%。

五、稀土催化材料

稀土催化材料具有良好的助催化性能，已形成石油化工催化劑、汽車尾氣凈化催化劑、柴油清潔添加劑、天然氣催化燃燒材料、有機廢氣凈化催化劑、固體氧化物燃料電池（SOFC）催化材料以及合成橡膠稀土催化劑等多種產品。它已成為石化、環境、能源、化工等催化應用領域不可或缺的重要組分。

目前，石油化工裂化催化是稀土催化劑最主要的應用領域。以2015年為例，我國原油加工量達到了5.22億噸，使用FFC稀土分子篩催化劑消費的稀土就已經達到10000噸。據專家預測，2015～2020年，我國原油加工量將繼續保持在5億噸以上，用于FCC催化劑的稀土用量將超過10000噸。

稀土除用于制造石油裂化催化劑外，在汽車尾氣凈化催化領域也已得到了廣泛應用。采用稀土作為助催化劑，可以有效提高催化劑的性能并減少貴金屬的消耗量。2000年歐洲制定歐Ⅱ標準，規定了一氧化碳、氮氧化物等排放的具體標準，到2005年實施歐Ⅳ標準時，上述排放物允許數量又下調了40%～50%。隨著環保法規對汽車尾氣排放的日益嚴格的控制，稀土汽車尾氣催化劑市場將進一步擴大。據專家預測，2020年我國汽車產量將超過2500萬輛，我國汽車尾氣凈化器市場需求量至少在2000萬套以上，對稀土催化材料的消費需求將超過5500噸。

六、其他節能材料應用

稀土合金。將稀土元素引入鎂合金，形成具有高強度性、耐腐蝕性能好、耐高溫的鎂稀土合金是鎂合金研發的前沿。以通用汽車應用鎂稀土合金的發動機為例，在一臺V6缸體、活塞等部件運用鎂稀土合金，總計減重18kg，減重率為30%，鎂稀土合金汽車輪轂已在日本得到了應用。實驗數據顯示，在高速公路運行，和鋁合金輪轂汽車相比，它降耗20%；在市內運行降耗達15%以上。稀土高鐵鋁合金電線電纜，綜合成本比銅質材料低20%，每公里線路降低15%以上造價以及降低2%～3%。

稀土超導體。應用氧化釔，稀土超導體是一種高溫超導材料，現已發現許多單一稀土氧化物及某些混合稀土氧化物都是制造高溫超導材料的原料。超導材料可以制作超導磁體而用于磁懸浮列車，可用于發電機、發動機、動力運輸、微波及傳感器等方面，節能效果顯著。

太陽能電池。應用氧化鉺、氧化鐿。通過具有光譜上、下轉化功能的稀土發光材料可以將太陽能電池不能有效吸收并利用的紫外光和紅外光轉換成能被太陽能電池有效吸收利用的光，從而使硅材料的太陽能電池的光電轉換效率提高2%～4%。

七、結語

在全球逐步邁入工業4.0的背景下，“中國制造2025”也開始在“十三五”進入政策的黃金期，也是賀州市“十三五”發展稀土產業的黃金期。處于改革轉型期新常態的中國經濟需要發展廣泛應用稀土的新能源、新材料等高科技產品，這正是新興產業的發展方向。稀土材料擁有優越的性能，在整個國民經濟中，將越發體現出其不可替代的作用。

（葉羽錦單位為賀州市節能監察中心；甘家毅單位為中鋁廣西有色金源稀土有限公司；蔣藝單位為賀州職業學院）