稀土催化材料在能源環境領域中的應用探討

張云濤 駱一鳴 韓佳辰 王佳星 周金豪

摘要：能源環境問題一直都是人類發展路上的一個重要課題，隨著人口數量的不斷增長，對能源的需求量也隨之增大，與此同時，環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、環境凈化、催化燃燒和催化燃料電池方面都有所應用。本文對稀土催化材料在能源環境領域的應用進行探討。

關鍵詞：稀土催化材料?能源環境

一、稀土催化材料在能源環境領域應用的優勢

稀土是我國發展經濟的重要資源之一，隨著能源需求量的增大，可持續發展戰略的施行以及可持續發展設施的建成，稀土催化材料在能源環境領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勢。稀土催化材料作為一種固體二氧化物，在凈化技術的研究中應用廣泛。而且研究發現，輕稀土元素由于其獨特的電子層結構，使其在化學反應過程中表現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研究既可以提高生產效率，又可以節約資源和能源，減少環境污染，符合可持續發展的戰略方向，在能源環境領域起著重要作用。

二、稀土催化材料目前在能源環境領域的主要應用方向

1.對機動車尾氣的凈化

隨著國家經濟快速發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保催化產品在各大城市投入使用， 且需求量每年都在上升。經過不斷地研究推算，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構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，仍然在繼續研究推算中。

2.對工業廢氣的凈化

隨著工業化的不斷發展，工業廢氣成為了空氣污染的主要污染源，經過國內外科學家們的研究實踐證明，氧化技術對處理工業廢氣是綜合經濟效益和凈化技術的最佳選擇，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構可以很好地彌補這一缺陷，但在幾年前實現難度大，需要應用納米技術的支持。隨著我國科學技術的不斷發展，納米技術已經擁有很高的水平，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定和催化效果，稀土催化材料憑借其優越的穩定性在眾多催化材料中脫穎而出。但我們仍需研究稀土對催化劑的影響，并進行實踐測試，以得到更加優越的稀土催化材料，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，在燃燒電池方面應用廣泛。大規模甲醇制氫已經成為成熟工藝，而且更安全，更容易實現，適合我國的能源結構。對于不斷研發的車載制氫方面，2004年國外科學家率先開始了車載制氫技術的研究，但經過車載水制氫，甲醇-水蒸氣重整技術和金屬化合物重整技術等一系列的研究，最終在安全方面考慮下確立工業制氫轉至車載使用的途徑。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境領域的未來研究方向

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，但其在能源環境領域、材料科學領域、催化科學領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構和催化性能使其成為重要的戰略資源和經濟發展的重要資本之一。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構和穩定性上更加深入的研究，爭取發現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，研發出更適合某一工業方面或環境凈化的催化材料，令其功能最大化。

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

四、總結

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境領域起重要作用。很早以前有學者就已經注意到了稀土氧化物在催化作用上的特點，它在環境，工業，軍事領域都有著非常的前景，它在能源與環保的各個領域擁有優勢：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濟效益凈化工業尾氣，能提高工業用能源的轉化效率，并能提高燃燒電池的利用率，稀土催化反應工程的研究，稀土催化材料在反應氣氛下的表面動態學的相關研究等等。但我國對稀土氧化物本身的催化作用的本質研究比較膚淺，在稀土的基礎研究也相對落后，對于許多問題仍不清楚：4f電子組態的稀土元素氧化還原催化性能的本質和規律，稀土型復合氧化物的獨特構效關系，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境領域，擁有著廣泛的應用前景，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”能源安全新戰略，我們要抓住國家能源結構調整的和環保產業發展的機會，大力發展稀土催化材料在能源環境領域的研究，我國的能源環境技術快速提升，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，所以有關稀土催化的研究主要集中在我國，而且由于納米技術和材料科學等學科的發展，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，尤其是能源環境領域，未來對我國對人類都是相當有益處的。

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