稀土催化材料在能源环境领域中的应用探讨

张云涛 骆一鸣 韩佳辰 王佳星 周金豪

摘要：能源环境问题一直都是人类发展路上的一个重要课题，随着人口数量的不断增长，对能源的需求量也随之增大，与此同时，环境也受到了一定程度上的破坏。而稀土催化材料在废气净化、环境净化、催化燃烧和催化燃料电池方面都有所应用。本文对稀土催化材料在能源环境领域的应用进行探讨。

关键词：稀土催化材料 能源环境

一、稀土催化材料在能源环境领域应用的优势

稀土是我国发展经济的重要资源之一，随着能源需求量的增大，可持续发展战略的施行以及可持续发展设施的建成，稀土催化材料在能源环境领域的作用越来越重要，地位也越来越高，无论是在净化方向上的研究还是在催化燃烧上的研究，稀土催化材料都显示出来明显的优势。稀土催化材料作为一种固体二氧化物，在净化技术的研究中应用广泛。而且研究发现，轻稀土元素由于其独特的电子层结构，使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能。因此，轻稀土用作催化材料是一条很好的稀土资源综合利用出路。加强稀土催化材料的基础研究既可以提高生产效率，又可以节约资源和能源，减少环境污染，符合可持续发展的战略方向，在能源环境领域起着重要作用。

二、稀土催化材料目前在能源环境领域的主要应用方向

1.对机动车尾气的净化

随着国家经济快速发展和人民生活水平的提高，居民机动车的持有量大大增加，而机动车尾气对城市环境的负面影响日益加剧，我国的能源使用量也随之大大增加。2012 年， 在政府的倡导下， 净化机动车尾气的环保催化产品在各大城市投入使用， 且需求量每年都在上升。经过不断地研究推算，在汽车尾气净化器中加入稀土催化材料，可以减少贵金属的用量，并保持非常高的净化效率。稀土元素特有的电子层结构可以划分出氧化物与固体氧化物， 并在汽车尾气在高温条件下， 达到了一个极好的净化效果。但对于稀土催化材料的用量作为最重要的一点，仍然在继续研究推算中。

2.对工业废气的净化

随着工业化的不断发展，工业废气成为了空气污染的主要污染源，经过国内外科学家们的研究实践证明，氧化技术对处理工业废气是综合经济效益和净化技术的最佳选择，而稀土催化材料更是因其突出的催化氧化特性而成为最佳选择。不仅如此，稀土对于废气中的有毒物质有更好的处理效果。对于成分更加复杂的废气来说，二氧化钛所具有的光催化性被大部分学者认为是净化废气的最佳选择，但其有弊端，利用稀土元素的能级结构可以很好地弥补这一缺陷，但在几年前实现难度大，需要应用纳米技术的支持。随着我国科学技术的不断发展，纳米技术已经拥有很高的水平，二氧化钛加稀土催化材料的组合将会拥有非常好的发展空间，对于废气处理将会有更好的处理效果。

3.对催化燃烧的作用

目前对于我国能源状况来说，化石能源的使用仍然是主流，因为无可避免地使用化石能源，所以借助催化剂提高化石能源的转化效率成为一个重要课题。而对于所需催化材料的要求很高，需要在高温燃烧的情况下仍然保持自身稳定和催化效果，稀土催化材料凭借其优越的稳定性在众多催化材料中脱颖而出。但我们仍需研究稀土对催化剂的影响，并进行实践测试，以得到更加优越的稀土催化材料，提高催化燃烧的效率。

4.对燃烧电池的作用

氢能作为新兴能源，在燃烧电池方面应用广泛。大规模甲醇制氢已经成为成熟工艺，而且更安全，更容易实现，适合我国的能源结构。对于不断研发的车载制氢方面，2004年国外科学家率先开始了车载制氢技术的研究，但经过车载水制氢，甲醇-水蒸气重整技术和金属化合物重整技术等一系列的研究，最终在安全方面考虑下确立工业制氢转至车载使用的途径。对于稀土催化材料在燃烧电池方面，主体方向有两个，一是将稀土催化材料做成载体，另一个是将含有钙钛矿型稀土复合氧化物做成催化剂。但在燃烧电池方面来说，需要对稀土催化材料的成分、耐腐蚀性、催化效率和电池寿命等多方面因素考虑。

三、稀土催化材料在能源环境领域的未来研究方向

我国稀土资源藏量丰富，但对于稀土的研究起步比起国外来说较晚，但其在能源环境领域、材料科学领域、催化科学领域等都有着重要的研究意义和实用价值，稀土元素自身特有的电子层结构和催化性能使其成为重要的战略资源和经济发展的重要资本之一。对于其未来的研究方向，我认为有以下几点：

1.对稀土元素本身的研究，在其独特的电子层结构和稳定性上更加深入的研究，争取发现稀土元素更多的用途。

2.對稀土元素某一方向的特性进行深入研究，如对其催化性进行研究，研发出更适合某一工业方面或环境净化的催化材料，令其功能最大化。

3.充分利用电子组态优势，稀土元素电子组态模式复杂， 且催化性能和稳定性能非常好， 利用电子组态结构可以改变催化物质的表面形态， 使其完成种类丰富的催化模式。由此可见， 稀土催化材料在结构、性能、元素组成上都具有很好的复合功效， 能够保持稳定的电子层结构，在这种稳定结构的催化下， 其他氧化物质、过渡金属的相互作用能力也会有极大地增强。

四、总结

由上述所说，我们可以推测未来稀土催化材料将会在能源环境领域起重要作用。很早以前有学者就已经注意到了稀土氧化物在催化作用上的特点，它在环境，工业，军事领域都有着非常的前景，它在能源与环保的各个领域拥有优势：它能在高温条件对汽车尾气起到极高的净化率并能以较高的是综合经济效益净化工业尾气，能提高工业用能源的转化效率，并能提高燃烧电池的利用率，稀土催化反应工程的研究，稀土催化材料在反应气氛下的表面动态学的相关研究等等。但我国对稀土氧化物本身的催化作用的本质研究比较肤浅，在稀土的基础研究也相对落后，对于许多问题仍不清楚：4f电子组态的稀土元素氧化还原催化性能的本质和规律，稀土型复合氧化物的独特构效关系，特定性能的稀土催化剂的研究等等，我国对于稀土的研究起步也较晚，但近年来我国一直在不断追赶，已有了长足的进步，稀土催化材料在能源环境领域，拥有着广泛的应用前景，符合党的十八大以来，习近平总书记提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，我们要抓住国家能源结构调整的和环保产业发展的机会，大力发展稀土催化材料在能源环境领域的研究，我国的能源环境技术快速提升，有利于我们面对未来越来越激烈的国际竞争

我国稀土资源较多，国外则相对较少，所以有关稀土催化的研究主要集中在我国，而且由于纳米技术和材料科学等学科的发展，为稀土催化材料的研究提供了新的突破口。如果我们开展更细致入微的稀土催化材料的研究，尤其是能源环境领域，未来对我国对人类都是相当有益处的。

参考文献：

（1）翁瑞， 卢冠忠， 张国成. 稀土催化材料在能源环境领域中的应用探讨[J].中国基础科学，2013，12（09）：109-112.

（2）郝正平， 胡春， 李凤怡. 催化材料在工业园及局部环境污染物净化方面的研究与应用[J].中国基础科学，2011，12（09）：110-120

（3）徐嘉.稀土催化材料在能源环境领域中的应用探讨[J].科技创业家，2014， 07： 199.