【稀土科普】快收藏！秒懂稀土催化材料

稀土催化材料

稀土元素具有未充滿電子的4f軌道和鑭系收縮等特征，表現出良好的助催化性能，因此被用作優良的催化材料。

稀土元素的催化活性基本上可以分為兩類：

?  與4f軌道中的電子數（1-14）相對應呈單調變化，如加氫、脫氫、酮化學；

?  與4f軌道中的電子的排布（1-7,7-14）相對應呈周期變化，如氧化。

稀土催化劑優點：相對傳統催化材料，稀土催化劑具有催化活性高、比表面積大、穩定性好、選擇性高、加工周期短等特點。與傳統貴金屬催化劑相比，稀土催化劑在資源豐度、成本、制備工藝以及性能等方面，都具有較強優勢。

稀土在催化劑中的作用

（1）提高催化劑的儲氧能力；

（2）提高活性金屬的分散度，改善活性金屬顆粒界面的催化活性；

（3）降低貴金屬用量；

（4）提高Al2O3等材料的熱穩定性；

（5）促進水氣轉化和蒸汽重整反應；

（6）提高晶格氧的活動能力等，從而使催化劑的性能得到顯著提高。

稀土催化材料分類

?  相關資料顯示，能夠在工業中獲得應用的稀土催化材料主要有3類

?  按照用途的不同，稀土催化材料主要分為石油裂化催化劑、機動車尾氣凈化催化劑、催化燃燒催化劑、合成橡膠催化劑、光催化劑、燃料電池催化劑。

稀土催化材料產業鏈

稀土催化材料企業

?  國外：比利時優美科、Solvay；德國BASF；加拿大AMR；日本DKKK；英國莊信萬豐；美國雅寶等

?  國內：無錫威孚力達、四川潤和催化、山東國瓷、中國石化、溧陽索爾維稀土、有研稀土、青島惠城環保、山東國瓷功能材料等

?  包頭：包頭稀土研究院、內蒙古希捷環?？萍?、華元科技、朗特等

稀土催化材料應用

01、汽車尾氣凈化催化劑

?  主要用到的稀土元素：鑭、鐠、釹及鈰基材料

?  添加稀土成分后可以大大減少催化劑中貴金屬的比例，在載體中，稀土用作改善機械強度和熱穩定性。

02、石油化工催化劑

?  主要用到的稀土元素：鑭、鈰

?  可以改善分子篩的活性、選擇性、水熱穩定性和抗釩中毒能力，提高液化氣及烯烴的收率，增強重質油的轉化能力。

?  石油化工用催化劑是目前消耗輕稀土較多的品種。

03、催化燃燒催化劑

?  主要用到的稀土元素：鑭、鐠、鈰、釤、釓

?  以其良好的例子和電子導電性可實現對燃料電池電極材料、電解質和鏈接部件導電性能的完全調節，從而改善固體氧化物燃料電池的性能。

04、高分子材料合成助劑

?  主要用到的稀土元素：鑭、鈰等輕稀土

?  產品性能無毒、高效、多功能，可以顯著改善塑料的加工性能和其他性能，市場售價低，性價比優于傳統助劑。

05、新能源領域

?  固體氧化物燃料電池

06、環保催化劑

?  機動車尾氣凈化——氧化鈰

?  有機物廢水處理——氧化鈦加入輕稀土，活性提高

?  有毒廢氣的催化凈化

稀土催化材料研究分析

早在二十世紀二十年代就出現了研究稀土化合物催化作用的研究。1924年劍橋三一學院的Arthur Kennet Goard在倫敦皇家學會上報道了鈰鹽的催化效應，Richard Leslie Swan在Journal of the Chemical Society, Transcations期刊上上發文探討了鈰和釷氧化物的催化作用以及他們對維爾斯巴赫地幔理論的影響。隨后的近70年中，年發文量多在50篇以下。經歷了漫長的技術萌芽期后，1991年年度發文量首次超過100篇，稀土催化材料的研究快速發展，成果產出數量以相對穩定的速度攀升，進入快速增長期，平均年增長率達到8.6%，2017年達到1733篇，并呈現出持續增長的趨勢

稀土催化材料發文趨勢

中國發文量占全球的25%，遠超排名第2位的美國（10%）。日本、印度、法國、德國分別位列第3至第6位，占比均超過5%。美國、法國、日本、印度較早涉足該領域。進入快速增長期后，日本在1993~2000年間表現出較明顯的數量優勢。2002年，中國年發文量首次超過日本，并在2004年后保持絕對的領先優勢，2018年中國的發文量占世界的38.7%，成為全球稀土催化材料發文量較多的國家。

稀土催化材料專利分析

1919年即開始有稀土催化相關技術的申請，主要包括用于催化氮和氫合成反應制備氨的催化劑，以及用于催化乙烯制造醇或醚的催化劑等。從申請總趨勢看，稀土催化材料相關專利申請大體經歷了四個階段：

（1）技術萌芽期（1919年～1955年），專利量在50件以內；

（2）緩慢增長期（1956年～1993年）：該時期年度專利量從1962年的98件增長到了1992年的1000件以上；

（3）快速增長期（1994年～2004年）：該時期專利量增長呈加快趨勢，年均增長率為13.47%；

（4）波動增長期（2006年至今）：此時期專利量呈現出波動增長的趨勢，2016年專利量多，2018年專利量亦在4000件以上。

稀土催化領域相關專利申請趨勢

中國、美國、歐洲、日本、加拿大和韓國等為全球專利權機構重點布局保護的國家/地區，其中，在中國布局的催化專利數量多，為22286件；美國位居第二，為13872件；歐洲位居第三位，為7837件，日本為4660件。

2018年稀土催化相關專利全球市場布局

稀土催化材料發展趨勢

二十年代開始出現稀土催化材料的研發，經過漫長的技術積累，1991年后進入快速發展階段。近年來稀土催化材料的研發集中在中國、美國、日本、印度等國家。其中，美國、法國、日本、印度較早涉足該領域，日本短暫引領研發活動，二十世紀后中國迅速趕超成為全球稀土催化材料發文量較多的國家。中國、美國、歐洲、日本、加拿大、韓國澳大利亞、英國和中國臺灣地區為全球專利權機構重點布局保護的國家/地區。

目前稀土催化材料的研究發展趨勢主要集中在

?  提高催化劑耐久性，降低催化劑成本

?  開發稀土改性的無釩、少釩工業廢氣脫硝催化劑、適應更先進尾氣排放標準的新型汽車尾氣凈化器、提高催化劑熱穩定性和氧傳輸能力的鈰鋯儲氧材料等

?  固體燃料電池電極、電解質材料的優化和改良等

?  改進催化劑性能等

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