釩的應用研究綜述

李鵬 向國洪 王勇軍 王會芳 劉雷 李克忠

(1.新奧科技發展有限公司，河北 廊坊 065001； 2.煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊 065001；3.北京友進天瑞新能源技術股份有限公司，北京 100071)

0 引言

現代工業中，90%以上的釩通過釩鈦礦及其礦渣通過焙燒、浸出等手段進行提取。其余的釩以化合物的方式存在于鋁土礦、磷酸鹽礦和含鈾砂礦中。其中，釩鐵和金屬釩主要應用于鋼鐵冶金和航空航天行業，含釩化合物應用于化工和電池行業。首先，鋼鐵冶金行業中，少量釩的添加即可有效地提高鋼鐵的強度、韌性、延展性、耐熱和耐磨性等[1]，其占釩總用量的85%[2]。有色冶金行業中，金屬釩可用于生產釩鈦合金。其次，約有10%的釩應用于化學工業，大部分以化合物或聚合物的形式充當催化劑使用。另外，釩元素作為材料添加劑，可用于硬質合金、磁性、超導及核反應堆材料等。而釩的氧化物及其化合物充當著色劑可有效應用在玻璃和陶瓷工業。最后，作為新型領域，釩還用于生產釩電池、稀土釩、釩納米和釩薄膜材料等高科技材料。

1 釩在鋼鐵行業的應用

釩在各個領域中應用廣泛，但生產的85%的釩應用在鋼鐵冶金及其相關領域。所用合金鋼中，均能見到釩的蹤跡，釩具有多價態，因此可以充當脫氧劑，且釩具有立方體結構，在鋼鐵中起到骨架作用，強化鋼的強度。少量的釩即可有效地細化鋼組織和精粒，降低過熱敏感性；提高韌性、強度和服役性能；增加淬火鋼的回火穩定性[3]。釩在鋼中主要以合金形式存在，含釩合金主要包括鐵基合金和非鐵基合金，而鐵基合金占大部分，其中釩鐵在鐵基合金中用量最大?，F階段，生產出來的釩鐵合金有釩硅鈣、釩硅鐵、釩錳鐵、氮化釩鐵、釩鈦硅等，而非鐵基系列的含釩合金主要有釩鋁合金、釩碳與釩氮合金等[4]。

2 釩在航天工業的應用

航工航天工業中，鈦合金應用非常廣泛，通常應用于發動機、太空艙骨架、火箭發動機外殼及蒸汽鍋輪機葉片等方面，而金屬釩和鋁是其中的關鍵元素。釩鋁合金具有良好的延展性、很好的強度、耐腐蝕、輕盈等很多優點，因此，航空航天中90%的合金均為釩鋁合金。世界上生產釩鋁合金的主要企業包括：美國有色合金公司、戰略礦物公司、雷丁合金公司，德國的GFE公司以及俄羅斯的VSMPO公司等。主要生產釩鋁65合金，美國雷丁和德國GFE全球份額80%。而國內生產釩鋁合金的企業主要包括寶鈦、承德天大以及錦州鐵合金等，主要生產釩鋁55合金，大多數產品為民用[5]。目前，國際航空航天中以釩鋁65合金最為廣泛，與傳統釩鋁55合金相比，有害雜質低，氧化膜和氮化膜少，成分均勻性更優。

3 釩在化工行業(催化劑)的應用

化工及相關行業中，釩基催化劑是非常重要的氧化催化劑，其催化機理是基于釩的配位作用。硫酸工業生產中，V2O5是重要的二氧化硫氧化的釩系固體催化劑；通過在活性炭中填充五氧化二釩，可有效提高脫除煙氣中的硫氮氧化物；五氧化二釩亦可以用作有機物(如順酐和苯酐等)氧化反應的催化劑[6]；聚合反應是將簡單化合物轉變為高聚化合物，釩可作為聚合反應催化劑，催化聚合產生無規交替共聚物，也可得到乙烯和丙烯單元均勻分布的乙丙橡膠[7]。另外，釩系催化劑還用于烷基化反應、氨化反應、氧化脫氫反應及醋酸生產等方面[8]。目前，工業釩系催化劑中，1/3用于硫酸生產，1/3用于乙丙橡膠合成，其余主要用于順酐和苯酐生產、選擇性催化還原(SCR)氮氧化物等[9]。用于氨合成方面的釩基催化劑大部分處于實驗室研發階段，中國科學院已開發了一種釩基氨合成與氨分解催化劑[10]。

4 釩在電池方面的應用

釩電池(全釩氧化還原液流電池)是一種高效儲能和高效輸出的裝置應用前景廣泛，受到了世界各國科研人員的關注和深入研究，并建立了許多商業示范裝置。國際上，加拿大VRB Power Systems公司于2003年和2001年先后建造200kW/800kW·h和250kW/2MW·h的全釩液流儲能電池系統。另外，日本住友電工公司與2005年和2012年先后建造4MW/6MW·h和1MW/5MW·h全釩液流電池儲能系統示范項目。在我國，釩電池研發公司主要包括北京普能、北京金能燃料電池、上海林洋儲能、南京國電南瑞和大連融科儲能等高科技公司[11]。另外，中國科學院大連化學物理研究所于2006年成功研發10kW全釩液流電池系統。

鋰離子電池具有儲能大和循環次數高等優良特性。但是，制備鋰離子電池的材料技術不成熟，成本高、低溫下電池放電效率差等缺點，制約了電池整體性能和真正商業化的發展。根據鋰離子電池正極材料分類，主要包括鋰鎳、鋰錳和鋰鈷氧化物電池。其中，鋰鎳氧化物電池制備工藝復雜，鋰錳氧化物電池循環次數差，鋰鈷氧化物電池制備價格昂貴，限制了其大規模商業化。而釩系正極材料比容量高，制備成鋰電池可實現高存放電，且價格相對低廉。

5 釩在材料領域的應用

稀土釩酸鹽材料與其他材料有很大的不同，表現在光催化活性、易導電光氣敏感性和磁性等性能。原因在于其特殊的原子結構(d電子和f電子結構)，較大的原子磁矩和較強的自旋軌道等特性。因此，應用領域廣泛，包括發光材料、光催化劑材料、化學傳感材料和介電材料等。例如，發光材料中，YVO4因其性能優異，制備成本相對低廉，已早早實現了工業化。利用稀土釩酸鹽材料制成的光催化劑，可以在溫和的條件下將含氯揮發有機物進行有效降解。

傳統上，氫氣只能使用氣瓶和液態方式進行貯存，但存在安全性差、能耗高、貯存量少、成本高等缺點。作為一種新型能源材料，釩基固溶體貯氫合金可在較溫和條件下，高效吸放氫氣，且貯氫量大，約本身體積的1000倍[12]。因此，可廣泛應用于貯氫和輸送氫，在未來的氫能源汽車等方面應用前景廣闊。

作為一種熱敏功能材料，VO2具有很好的相變性質。由于其特殊的性能，應用范圍廣泛，主要包括光器件、光存儲、光電設備、智能玻璃等方面。由VO2制成的薄膜，具有體積小、質量輕，且造價低廉等優點而大量應用[13-15]。作為太陽能控制材料，低溫下可以透過紅外輻射而高溫下具有阻擋高輻射的能力，可有效改善室內溫度。由于此材料電阻率對熱輻射敏感，因此，可制成熱敏電阻材料，如火災報警器。且VO2薄膜其獨特的相變性質，因此，可制成光盤介質材料。

眾所周知，納米材料是尺寸1～100nm粒子材料。研究發現，納米釩材料有著其他納米材料無法替代的地位，在光學數據存儲、光原件、光熱開關、傳感器等領域有廣闊的應用場景。其中，VO2、V2O3和V2O5和復合釩納米材料研究較多[16]。

6 釩在其他領域的應用

另外，在醫學方面、顏料領域(玻璃與陶瓷著色)、核反應堆釩合金材料等多個領域，釩有著無法替代的作用。

醫學方面，釩元素在人體的新陳代謝中至關重要。生物學中釩元素以四價和五價為主。釩在牙齒發育中起著不可替代的作用。且釩可以促進糖的代謝，促進血紅細胞生長。其中，在降糖領域的研究尤為活躍[17]，釩具有良好的類胰島素作用，還可保護胰島細胞，降低體內血糖。成本上，釩具有合成相對容易、價格較低廉的優勢，例如，長春醫藥集團已經發出一種含釩化合物的新藥—連麥氧釩膠囊，已經推向市場，降糖效果顯著[18]。

在顏料領域，釩主要用于制備鉍黃及釩鋯藍顏料。鉍黃無毒且色澤良好，是傳統鉻黃、鎘黃等有毒顏料的理想替代品，因此，鉍黃顏料有著廣泛的市場前景，尤其釩鋯藍顏料在陶瓷業中應用較多。另外，印刷油墨離不開氧化物釩和偏釩酸鹽釩，例如，利用偏釩酸鐳，可生產快干油墨。因為釩對苯胺有氧化作用，因此可生產黑色顏料。

在核反應堆材料上，作為聚變反應器的覆蓋和屏蔽墻，離不開釩基合金。其優點是其他材料的無可替代性，包括中子俘獲面積小，抗腐蝕，高溫蠕變強度好等優點。且用于熱核反應堆的包套材料，要求具有高溫機械強度，可抵抗輻射引起的膨脹、易脆問題以及與氫、鋰各種冷卻劑的兼容性良好。例如：美、德等國開發的V15Cr5Ti和V3Cr1Si兩種合金，具有高傳導性和低膨脹系數等優點。

7 結語

現階段，釩的主要用途是生產各種釩鋼鐵，包括硅釩鐵、氮化釩鐵、釩錳鐵等，其具有強度高、韌性大、耐磨性等優點，使用量占總消耗量的85%。主要應用在汽車、建筑、橋梁、機械和國防等各個方面。但目前釩鋼中使用量最多的當屬碳素鋼。鈦合金中，釩作為穩定和強化劑使用，可以很好地增加鈦合金的延展和可塑性，廣泛用于航空航天領域。我國在生產高級釩鈦合金的技術有待提高，且隨著航天事業的大力發展，高級釩鈦合金鋼需求量會大度增加。化學工業中，釩作為催化劑和著色劑的作用會更加顯著。此外，在原子能、超導材料、電子工業方面，由于金屬釩耐腐蝕、易加工和良好相變等優點，被廣泛使用。最后，隨著未來技術的不斷發展，釩作為蓄電池，其使用量會飛速增長。