稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用探討

張?jiān)茲?駱一鳴 韓佳辰 王佳星 周金豪

摘要：能源環(huán)境問(wèn)題一直都是人類(lèi)發(fā)展路上的一個(gè)重要課題，隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求量也隨之增大，與此同時(shí)，環(huán)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(huán)境凈化、催化燃燒和催化燃料電池方面都有所應(yīng)用。本文對(duì)稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：稀土催化材料?能源環(huán)境

一、稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

稀土是我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要資源之一，隨著能源需求量的增大，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施行以及可持續(xù)發(fā)展設(shè)施的建成，稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的作用越來(lái)越重要，地位也越來(lái)越高，無(wú)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(lái)明顯的優(yōu)勢(shì)。稀土催化材料作為一種固體二氧化物，在凈化技術(shù)的研究中應(yīng)用廣泛。而且研究發(fā)現(xiàn)，輕稀土元素由于其獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)，使其在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中表現(xiàn)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(qiáng)稀土催化材料的基礎(chǔ)研究既可以提高生產(chǎn)效率，又可以節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，在能源環(huán)境領(lǐng)域起著重要作用。

二、稀土催化材料目前在能源環(huán)境領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向

1.對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的凈化

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平的提高，居民機(jī)動(dòng)車(chē)的持有量大大增加，而機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣對(duì)城市環(huán)境的負(fù)面影響日益加劇，我國(guó)的能源使用量也隨之大大增加。2012 年， 在政府的倡導(dǎo)下， 凈化機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的環(huán)保催化產(chǎn)品在各大城市投入使用， 且需求量每年都在上升。經(jīng)過(guò)不斷地研究推算，在汽車(chē)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(jié)構(gòu)可以劃分出氧化物與固體氧化物， 并在汽車(chē)尾氣在高溫條件下， 達(dá)到了一個(gè)極好的凈化效果。但對(duì)于稀土催化材料的用量作為最重要的一點(diǎn)，仍然在繼續(xù)研究推算中。

2.對(duì)工業(yè)廢氣的凈化

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)廢氣成為了空氣污染的主要污染源，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們的研究實(shí)踐證明，氧化技術(shù)對(duì)處理工業(yè)廢氣是綜合經(jīng)濟(jì)效益和凈化技術(shù)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(duì)于廢氣中的有毒物質(zhì)有更好的處理效果。對(duì)于成分更加復(fù)雜的廢氣來(lái)說(shuō)，二氧化鈦所具有的光催化性被大部分學(xué)者認(rèn)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(jí)結(jié)構(gòu)可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷，但在幾年前實(shí)現(xiàn)難度大，需要應(yīng)用納米技術(shù)的支持。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)擁有很高的水平，二氧化鈦加稀土催化材料的組合將會(huì)擁有非常好的發(fā)展空間，對(duì)于廢氣處理將會(huì)有更好的處理效果。

3.對(duì)催化燃燒的作用

目前對(duì)于我國(guó)能源狀況來(lái)說(shuō)，化石能源的使用仍然是主流，因?yàn)闊o(wú)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(zhuǎn)化效率成為一個(gè)重要課題。而對(duì)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(wěn)定和催化效果，稀土催化材料憑借其優(yōu)越的穩(wěn)定性在眾多催化材料中脫穎而出。但我們?nèi)孕柩芯肯⊥翆?duì)催化劑的影響，并進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試，以得到更加優(yōu)越的稀土催化材料，提高催化燃燒的效率。

4.對(duì)燃燒電池的作用

氫能作為新興能源，在燃燒電池方面應(yīng)用廣泛。大規(guī)模甲醇制氫已經(jīng)成為成熟工藝，而且更安全，更容易實(shí)現(xiàn)，適合我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)。對(duì)于不斷研發(fā)的車(chē)載制氫方面，2004年國(guó)外科學(xué)家率先開(kāi)始了車(chē)載制氫技術(shù)的研究，但經(jīng)過(guò)車(chē)載水制氫，甲醇-水蒸氣重整技術(shù)和金屬化合物重整技術(shù)等一系列的研究，最終在安全方面考慮下確立工業(yè)制氫轉(zhuǎn)至車(chē)載使用的途徑。對(duì)于稀土催化材料在燃燒電池方面，主體方向有兩個(gè)，一是將稀土催化材料做成載體，另一個(gè)是將含有鈣鈦礦型稀土復(fù)合氧化物做成催化劑。但在燃燒電池方面來(lái)說(shuō)，需要對(duì)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(huán)境領(lǐng)域的未來(lái)研究方向

我國(guó)稀土資源藏量豐富，但對(duì)于稀土的研究起步比起國(guó)外來(lái)說(shuō)較晚，但其在能源環(huán)境領(lǐng)域、材料科學(xué)領(lǐng)域、催化科學(xué)領(lǐng)域等都有著重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值，稀土元素自身特有的電子層結(jié)構(gòu)和催化性能使其成為重要的戰(zhàn)略資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資本之一。對(duì)于其未來(lái)的研究方向，我認(rèn)為有以下幾點(diǎn)：

1.對(duì)稀土元素本身的研究，在其獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性上更加深入的研究，爭(zhēng)取發(fā)現(xiàn)稀土元素更多的用途。

2.對(duì)稀土元素某一方向的特性進(jìn)行深入研究，如對(duì)其催化性進(jìn)行研究，研發(fā)出更適合某一工業(yè)方面或環(huán)境凈化的催化材料，令其功能最大化。

3.充分利用電子組態(tài)優(yōu)勢(shì)，稀土元素電子組態(tài)模式復(fù)雜， 且催化性能和穩(wěn)定性能非常好， 利用電子組態(tài)結(jié)構(gòu)可以改變催化物質(zhì)的表面形態(tài)， 使其完成種類(lèi)豐富的催化模式。由此可見(jiàn)， 稀土催化材料在結(jié)構(gòu)、性能、元素組成上都具有很好的復(fù)合功效， 能夠保持穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，在這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的催化下， 其他氧化物質(zhì)、過(guò)渡金屬的相互作用能力也會(huì)有極大地增強(qiáng)。

四、總結(jié)

由上述所說(shuō)，我們可以推測(cè)未來(lái)稀土催化材料將會(huì)在能源環(huán)境領(lǐng)域起重要作用。很早以前有學(xué)者就已經(jīng)注意到了稀土氧化物在催化作用上的特點(diǎn)，它在環(huán)境，工業(yè)，軍事領(lǐng)域都有著非常的前景，它在能源與環(huán)保的各個(gè)領(lǐng)域擁有優(yōu)勢(shì)：它能在高溫條件對(duì)汽車(chē)尾氣起到極高的凈化率并能以較高的是綜合經(jīng)濟(jì)效益凈化工業(yè)尾氣，能提高工業(yè)用能源的轉(zhuǎn)化效率，并能提高燃燒電池的利用率，稀土催化反應(yīng)工程的研究，稀土催化材料在反應(yīng)氣氛下的表面動(dòng)態(tài)學(xué)的相關(guān)研究等等。但我國(guó)對(duì)稀土氧化物本身的催化作用的本質(zhì)研究比較膚淺，在稀土的基礎(chǔ)研究也相對(duì)落后，對(duì)于許多問(wèn)題仍不清楚：4f電子組態(tài)的稀土元素氧化還原催化性能的本質(zhì)和規(guī)律，稀土型復(fù)合氧化物的獨(dú)特構(gòu)效關(guān)系，特定性能的稀土催化劑的研究等等，我國(guó)對(duì)于稀土的研究起步也較晚，但近年來(lái)我國(guó)一直在不斷追趕，已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域，擁有著廣泛的應(yīng)用前景，符合黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記提出“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，我們要抓住國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)會(huì)，大力發(fā)展稀土催化材料在能源環(huán)境領(lǐng)域的研究，我國(guó)的能源環(huán)境技術(shù)快速提升，有利于我們面對(duì)未來(lái)越來(lái)越激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)

我國(guó)稀土資源較多，國(guó)外則相對(duì)較少，所以有關(guān)稀土催化的研究主要集中在我國(guó)，而且由于納米技術(shù)和材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，為稀土催化材料的研究提供了新的突破口。如果我們開(kāi)展更細(xì)致入微的稀土催化材料的研究，尤其是能源環(huán)境領(lǐng)域，未來(lái)對(duì)我國(guó)對(duì)人類(lèi)都是相當(dāng)有益處的。

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