“鈧”世奇材 無以抵“鈧”

王衛(wèi)星

稀土是世界各國非常重要的戰(zhàn)略資源，然而化學(xué)周期表中的錒系元素對(duì)核工業(yè)與國家戰(zhàn)略極為重要。稀土金屬與錒系元素屬于元素周期表f區(qū)元素，這32種元素占元素周期表的1/4。鈧（Sc）是稀土元素中原子序數(shù)最小的，廣泛應(yīng)用于照明、合金、催化、陶瓷等領(lǐng)域。Sc作為“稀土家族老大”不僅有撲朔迷離的傳奇身世，而且具諸多卓越性能，下面就來探研究竟。

Sc，素不為常人所知，相當(dāng)“低調(diào)”，即使化學(xué)專業(yè)的研究者對(duì)鈧試劑也接觸甚少。在我們的日常生活中，Sc更是極少拋頭露面，但是在元素周期表中卻十分活躍和“高調(diào)”。Sc既是過渡金屬的起點(diǎn)，又是稀土元素的“老大哥”，更是價(jià)值連城的貴金屬，同比歷史最貴時(shí)期的黃金，高達(dá)其價(jià)10倍。2018年2月，美國將Sc作為重點(diǎn)工業(yè)原料，列入公布的35種關(guān)鍵礦產(chǎn)清單?？梢?，看似低調(diào)的Sc元素，卻有著不為世人所知的尊貴地位和珍貴身價(jià)。

1 “奇才”的鈧

1.1 鈧的理化特質(zhì)

Sc是元素周期表中的第21號(hào)元素，位于第4周期第3副族，是首個(gè)過渡元素，位列稀土元素之首。稀土元素則是15個(gè)鑭系元素，再加上釔（Y）和鈧共17個(gè)元素的總稱。Sc是一種柔軟、銀白色的過渡金屬，熔點(diǎn)1 541℃，沸點(diǎn)2 831℃。

金屬Sc （圖1）非常活潑，易與空氣中的氧、二氧化碳和水化合，易風(fēng)化。Sc氧化后，略帶淺黃色或粉紅色。室溫時(shí)，金屬Sc表面易被氧化形成薄膜，可防止繼續(xù)氧化。所以即便在200℃的空氣中，Sc仍保持很有操守的穩(wěn)定。Sc在純氧中則劇烈氧化，在潮濕氧氣中氧化更快。溫度高于250℃時(shí)，劇烈氧化。Sc易溶于水，但并非以Sc3+離子簡(jiǎn)單形式存在，而是以穩(wěn)定的絡(luò)離子存在。Sc還可與熱水反應(yīng)，空氣中易變暗，主要以+3價(jià)態(tài)呈現(xiàn)。Sc的產(chǎn)量很少，在地殼中的含量?jī)H為0.0005%。

Sc緩慢溶解于大多數(shù)稀酸中，能與所有無機(jī)酸反應(yīng)，與鉻酸反應(yīng)較慢，是因其表面形成鉻酸鹽層。但是，Sc不與硝酸和氫氟酸混合物反應(yīng)，因?yàn)樵趶?qiáng)酸中表面易形成不滲透的鈍化層。氧化鈧（Sc2O3）的堿性強(qiáng)于氧化鋁，而弱于氧化釔和氧化鎂。無色的Sc鹽與氫氧化鉀和碳酸鈉形成膠體沉淀，各種Sc鹽均難結(jié)晶。硫酸鹽極難結(jié)晶，如Sc的硫酸復(fù)鹽不成礬。Sc的碳酸鹽不溶于水，形成堿式碳酸鹽沉淀，如碳酸鈧不溶于水，易脫掉二氧化碳。無水氯化物——氯化鈧（ScCl3）揮發(fā)性低于氯化鋁（AlCl3），水解性強(qiáng)于氯化鎂。AlCl3升華溫度100℃，ScCl3則為850℃，易水解。

1.2 “另類”無毒的鈧

Sc自問世以來，奇貨可居問津者甚少，當(dāng)然嚴(yán)重地制約了對(duì)Sc的研究及其應(yīng)用。近年，對(duì)Sc的研究不斷拓展和深入，科學(xué)家們逐步揭開了其神秘面紗。Sc的性質(zhì)體現(xiàn)了理化特性，當(dāng)然其特殊性也符合一般規(guī)律的常性，這便是Sc的“另類性”。首先它是排位最靠前的過渡金屬，且是元素周期表中第一個(gè)在d軌道有電子填充的元素。令人稱奇的是，Sc的理化性質(zhì)不具有過渡金屬的典型特征，如大多數(shù)過渡金屬存在多個(gè)氧化態(tài)，Sc則不然，它在化合物中通常只呈現(xiàn)+3化合價(jià)。其次是許多過渡金屬的化合物有豐富的顏色，但Sc完全不是，Sc鹽基本上是無色的，究其原因是Sc3+的d軌道為空之故。最另類的是Sc的性質(zhì)與遠(yuǎn)在第13族的非過渡金屬Al元素非常接近，可是它們是既不沾親也不帶故。Sc和同族元素相比，其氫氧化物堿性非常弱，能溶于酸和堿，脾性與鋁元素很相投。

Sc能混入稀土大家族，是因?yàn)槠涑Ｅc釔和鑭（La）系元素釓（Gd）、鉺（Er）等“廝混”為伍，集于一體出現(xiàn)在礦床中。然而奇葩的是，Sc與4f型電子結(jié)構(gòu)的其他稀土元素有著很大差異，所以比較容易從稀土混合物中分離出來，特別是Sc雖屬于稀土家族，卻缺少諸多典型的理化性質(zhì)，確實(shí)是稀土家族中的“另類”。此外，Sc的“另類”還表現(xiàn)在“輕重難分”：稀土元素常細(xì)分為輕、重稀土，如從原子量來考量，Sc是稀土元素中最輕的一種，有趣的是它卻不屬于“輕稀土”，所以在研究文獻(xiàn)中將其單列介紹。事實(shí)上，Sc在成礦特點(diǎn)及化學(xué)性質(zhì)上，與其他重稀土元素確實(shí)不同，余者甚似，故而有的研究文章將其劃入“重稀土”。有一樣是千真萬確的，Sc比“輕稀土”資源更稀缺和昂貴，尤其是在航空航天、軍事國防和新材料等高科技應(yīng)用領(lǐng)域，是其他稀土兄弟都難以企及和替代的。

Sc單質(zhì)常被認(rèn)為無毒，Sc及其化合物的動(dòng)物試驗(yàn)則表明，其相對(duì)毒性弱于La、In、Cd、Hg，強(qiáng)于Al、Y、Na。Sc、Y稀土元素能使家兔眼角膜持久模糊，若將ScCl3分別以440mg/kg靜脈、24mg/kg內(nèi)腹膜注射于小白鼠體內(nèi)，會(huì)沉積在肝和脾臟中，24h內(nèi)可致其死亡。國際放射防護(hù)協(xié)會(huì)（IRPA）將放射性核素的危險(xiǎn)級(jí)分為4級(jí)，46Sc、47Sc和48Sc均為C級(jí)。Sc的致癌性是遲鈍的，很少被人體內(nèi)臟壁吸收，一旦吸收則集積于肝、腎臟內(nèi)，排除較緩慢。ScCl3的半數(shù)致死給藥量：腹腔為4mg/kg，口服為755mg/kg。顯見，Sc的化合物應(yīng)為中度毒性化合物，應(yīng)注意人體防護(hù)。

Sc元素在地球生物圈中并非舉足輕重，也非生命體必須元素。微量的Sc會(huì)進(jìn)入食物鏈，普通人日攝入量不足0.1μg。讓人稱奇的是茶異常聚集Sc量，換言之，茶葉中含有更多的Sc，遠(yuǎn)多于其他植物。這是因?yàn)椴铇湫枰X和Sc元素，二者化學(xué)性質(zhì)相近，茶樹無法區(qū)分吸收，但其平均含量歡喝茶的人大可不必憂慮。

2 鈧撲朔迷離的身世

從恒星到地球，再到人類日常，有一元素在人們的活動(dòng)中越來越重要，其用途和分布有諸多未解之謎，在化學(xué)家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（俄語：Дмитрий ИвановичМенделеев）（圖2）、拉爾斯·尼爾森（L.F.Nilson）（圖3）、克利夫（P.T.Cleve）（圖4）等的艱辛探索與發(fā)現(xiàn)中逐一解開。

2.1 門捷列夫的“神預(yù)言”

Sc元素的身世極富傳奇色彩，十九世紀(jì)晚期，稀土元素研究成為時(shí)代熱潮。1869年俄國化學(xué)家門捷列夫設(shè)計(jì)元素周期表時(shí)，曾預(yù)言“類硼 （B）”元素的存在。他特別提到有幾個(gè)元素的原子量差異超出預(yù)期，并為其在原子量40的鈣 （Ca）、原子量48的鈦（Ti）之間留出了空位。據(jù)此推測(cè)為金屬元素，原子量約44，暫時(shí)命名為“Eka—boron”，還預(yù)測(cè)了該元素的一些理化性質(zhì)。

門捷列夫還成功預(yù)測(cè)“類鋁”（鎵）和“類硅”（鍺），但預(yù)測(cè)“類硼”的性質(zhì)卻非常困難。因?yàn)椤邦惞琛笨梢钥醋魇峭逯泄瑁⊿i）和錫（Sn）之間的性質(zhì)過渡，“類鋁”則是鋁 （Al） 和銦 （In） 之間的過渡。當(dāng)時(shí)硅、錫、鋁、銦元素的理化性質(zhì)已被熟知，但周期表中與B同列的很多元素還不為人知，其性質(zhì)甚至原子量仍存疑問，可參照信息極少。再有，人們對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不甚了解，且最初的周期表也不完備。若我們以今日的周期表裝門捷列夫時(shí)代的已知元素，會(huì)發(fā)現(xiàn)B和Sc性質(zhì)則相距甚遠(yuǎn)，并非是同族。門捷列夫雖將Sc元素放錯(cuò)了族位，但就“類硼”物理化學(xué)性質(zhì)的描述，特別是氧化物的預(yù)測(cè)，與后期的發(fā)現(xiàn)相差無幾。足見，門捷列夫?qū)υ刂g關(guān)系研究之精深。他的偉大之處就在于預(yù)測(cè)“類硼”性質(zhì)時(shí)，并不僅至于B，還充分參考了鈣、鈦、鋁等鄰近元素，綜合分析后才得出預(yù)測(cè)結(jié)論。

2.2 稀土“苦旅”

門捷列夫神預(yù)言了“類硼”的十年后，科學(xué)家們終于在研究“稀土”的苦旅中，才真正發(fā)現(xiàn)了這個(gè)神秘的新元素。今日炙手可熱的稀土，其發(fā)現(xiàn)史說來話長(zhǎng)。最早的研究始于北歐，歸功于產(chǎn)自歐洲西北角斯堪的納維亞半島 （圖5） 的幾種神奇礦物。1794年，芬蘭人約翰·加多林從產(chǎn)于瑞典小鎮(zhèn)于特比的一種奇異的黑色礦石中，成功分離出一種新物質(zhì)，他命名為“釔土”，稱其為“土”是當(dāng)時(shí)化學(xué)家對(duì)不溶于水固體氧化物的統(tǒng)稱。此外，科學(xué)家們由已知的客觀規(guī)律得出：釔土的發(fā)現(xiàn)就等同于發(fā)現(xiàn)了一種新元素，因?yàn)槔碚撋涎趸锒伎蛇€原為單質(zhì)元素，于是第一個(gè)稀土元素釔問世了。后世為了紀(jì)念這位偉大的發(fā)現(xiàn)者，以他的名字命名該礦石“加多林礦”，也就是“硅鈹釔礦”。

不僅是加多林，且是所有人都不敢想象，釔土的發(fā)現(xiàn)只揭開了神秘稀土家族的冰山一角。由此科學(xué)家們開啟了153年的“稀土苦旅”，直至1947年，找到了最后一個(gè)稀土元素钷 （Pm）。只因早期科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的稀土礦物很少，且只能提取到少量不溶于水的氧化物，加之它們的外觀酷似“土壤”，因而混得了“稀土”（Rare earths）的虛名。所以決不可望文生義，“稀土”絕不是“珍稀的土”，而是一類金屬氧化物的統(tǒng)稱。

2.3 “類硼”到“鈧”十年苦旅

隨著，稀土家族成員的相繼現(xiàn)身，新的發(fā)現(xiàn)也層出不窮。1878年瑞士科學(xué)家馬利納克（Marignac）已從“釔土”中，成功分離出多種稀土元素，除了釔還有鋱（Tb）、鉺（Er）、鐿（Yb）等新元素。彼時(shí)，瑞典化學(xué)家拉爾斯·弗雷德里克·尼爾森（Lars Fredrik Nilson）正在嘗試，精確測(cè)算這些稀土元素的理化參數(shù)。他從斯堪的那維亞半島采集加多林礦，以及黃褐色、光澤柔軟的黑稀金礦，至少含有8種金屬，從中提取了鐿土。令他百思不得其解：為什么所測(cè)得的鐿分子量比其發(fā)現(xiàn)者馬利納克確定的數(shù)值低呢？尼爾森推測(cè)鐿土中可能含有更輕的元素。

1879年，尼爾森將所得“鐿土”采用相同流程反復(fù)處理后，當(dāng)僅剩1/10的樣品時(shí)，采用光譜分析法提煉出來的鐿土，終于在光譜中發(fā)現(xiàn)了30多條前所未見的特征吸收線。他從提取的一種金屬原子光譜中發(fā)現(xiàn)了新譜線，證明含有新元素。尼爾森的確沒能準(zhǔn)確測(cè)量出鐿，卻意外發(fā)現(xiàn)了“鈧土”，當(dāng)然這并非是金屬Sc。他從約10kg礦石中提取2g高純的=Sc2O3（圖6），并報(bào)道了其理化性質(zhì)。他雖未充分關(guān)注到門捷列夫?qū)Α邦惻稹痹氐摹吧耦A(yù)測(cè)”，未能發(fā)現(xiàn)Sc元素重要屬性。原子量44的金屬，正是門捷列夫預(yù)測(cè)的缺失元素，其特征幾乎完全符合神預(yù)言，即第21號(hào)元素“類硼”。眾所周知，現(xiàn)代元素周期表中并不存在Ekaboron。尼爾森為了紀(jì)念祖國礦產(chǎn)地斯堪的那維亞半島，將“類硼”命名為“鈧”，由此得出元素符號(hào)“Sc”，正式公布了該結(jié)果及Sc鹽和鈧土的相關(guān)研究。

尼爾森的好友瑞典化學(xué)家佩爾·特奧多爾·克里夫（Per Theodor Cleve），他們同在烏普薩拉大學(xué)任教和科研。他在研究鉺土?xí)r，先將鉺土大量組分排除掉，再分出鐿土、鈧土，然后又從剩余物中發(fā)現(xiàn)了新稀土元素鈥（Ho）、銩（Tm），他又從副產(chǎn)物中成功提純了鈧土，并研究其理化性質(zhì)。將尼爾森發(fā)現(xiàn)的鈧與門捷列夫預(yù)測(cè)“類硼”聯(lián)系，確定“Sc”在元素周期表中具體位置，并測(cè)定其原子量。換言之，兩人同期發(fā)現(xiàn)了第67種元素Sc，再次證明了門捷列夫元素周期律的正確性。由此可見，科學(xué)史上每每激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，離不開合理的質(zhì)疑思辨、精湛的科研實(shí)驗(yàn)與充分的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。

2.4 “散而貴”的鈧

Sc元素自發(fā)現(xiàn)后，其研究進(jìn)展十分緩慢。1937年，德國科學(xué)家才從鉀、鋰及熔化的氯化鈧混合物中電解出單質(zhì)Sc。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家研發(fā)出超99%的高純Sc。那么，Sc何以成為一種難以獲取的罕見元素呢？

1908年，威廉·克魯克斯（William Crookes）爵士（圖7）基于原子光譜中鈧譜線研究，以其探測(cè)Sc在恒星和星際物質(zhì)里的相對(duì)豐度。他研究得出：Sc在其他恒星中的豐度竟然高于太陽。其實(shí)，地球上Sc的豐度不是特別高，它在地殼中的豐度約為25 ppm（百萬分比濃度），已知總量與鉛相當(dāng)。但又不同與鉛，沒有被任何地質(zhì)過程聚集，廣泛地散布于整個(gè)地殼中，以微量形式現(xiàn)身于數(shù)百種礦物中。Sc含量雖然比它元素周期表中的左鄰右舍少，卻比我們熟悉的金 （Au）、銀 （Ag）和汞 （Hg）等元素更豐富，算不上特別稀有。但令人驚訝的是，Sc “散”到了極致，因鈧為親氧元素，自然界中無游離單質(zhì)，以非常分散的化合物存在。Sc高度分散在800余種礦物當(dāng)中，但Sc含量大于0.05%的礦物僅有鈧釔礦和鈹硅鈧礦等少數(shù)幾種，皆因Sc最愛跟釔廝混共生于硅鈹釔和黑稀金礦里。

此外，黑鎢礦和錫石礦中也有微量Sc，這些礦物在自然界中非常罕見，往往不具備商業(yè)開采價(jià)值。Sc為典型的稀散金屬，純Sc化合物礦物彌足珍貴，加之提煉、提純非常困難，所以產(chǎn)量極少，物以稀為貴價(jià)格數(shù)倍于黃金。20世紀(jì)50年代，產(chǎn)于挪威伊韋蘭的墨綠色鈧釔石（含Sc2Si2O7）樣品價(jià)值遠(yuǎn)超過同等重量的黃金，同種礦樣長(zhǎng)不足10cm的市場(chǎng)價(jià)，竟然高達(dá)1 500美元，甚至結(jié)晶態(tài)純鈧釔石作為寶石銷售。由于Sc的許多性質(zhì)受純度影響很大，1973年才制得純度大于99.9%的Sc，所以世界各地Sc的年產(chǎn)量還不足黃金的零頭，價(jià)格也貴得驚人，即便是相對(duì)易獲取的氧化鈧賣價(jià)高達(dá)萬元每千克。

萬幸的是，中國是世界上Sc資源較豐富的國家，四川省攀枝花礦中的Sc品位最高?？茖W(xué)家們主要從含鈦白粉廢液、鋁土礦和離子吸附型稀土礦中回收獲取Sc，在北美和俄羅斯地區(qū)，一些鈾礦也是提取Sc的重要來源。由于Sc資源分布極散，所以探求高效的分離方法、建立合理的富集工藝，是Sc金屬工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

3 難以抵“鈧”

3.1 神奇“鈧鋁”組合

純Sc金屬不經(jīng)退火即可軋制成薄片，因性質(zhì)與鋁相近，鈧鋁合金是Sc工業(yè)化應(yīng)用的絕佳搭檔。鋁密度小、成本低，一直是航空航天重要的基礎(chǔ)材料。純鋁性能不能滿足航空航天材料對(duì)強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕性的要求，曾嘗試在純鋁中添加銅、鋅元素，雖可提高鋁合金的強(qiáng)度，但因銅鋅的原子量均明顯大于鋁，所生成的合金材料比純鋁都重，不適用于對(duì)重量要求極其嚴(yán)苛的航空航天領(lǐng)域。因不存在Sc礦，Sc只是開采鉭和鈾礦時(shí)的副產(chǎn)品，所以鋁鈧合金備受矚目。

Sc的密度僅2.99 g/cm3，屬輕金屬，比其他元素鋁合金的強(qiáng)度大得多。將0.5%的Sc添加入鋁中，既保持質(zhì)量輕盈，又極大提高強(qiáng)度，還可將其熔點(diǎn)提高800℃，更可焊接，這些特性均是無可替代的。Sc元素可使鋁脫胎換骨，細(xì)化鋁的晶粒，從而顯著提高鋁合金的耐高溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗腐蝕性。Sc的應(yīng)用始于航空航天高新技術(shù)需求，卓越性能很大程度上抵消了價(jià)格昂貴的短板。高強(qiáng)高韌鋁合金、新型高強(qiáng)耐蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強(qiáng)抗中子輻照用鋁合金等，在艦船、核反應(yīng)堆及輕型汽車和高速列車等領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)研發(fā)多種鈧鋁合金，率先用于制造先進(jìn)的米格戰(zhàn)斗機(jī)（圖8）與導(dǎo)彈導(dǎo)向尾翼。

如今，全世界載重量最大的安—225運(yùn)輸機(jī)，以及中國神州飛船的返回艙都使用高性能的鋁鈧合金。多國蜂擁求得戰(zhàn)略資源材料，甚至美、俄等國都囤積鈧。近年，Sc逐步應(yīng)用于對(duì)成本敏感的商用與民用領(lǐng)域。美國常將塑性與可焊接性俱佳的鈧合金用于生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)器材，如棒球棒、曲棍球棒。鈧鋁合金是制造高端自行車比較理想的材料，便攜耐用型山地自行車架和輪圈采用鈧鋁合金（圖9），僅重1kg。

3.2 鈧是光的魔法師

Sc的新材料研發(fā)風(fēng)生水起，尤其在光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。鈧鈉燈是一種金屬鹵化物燈，電弧管內(nèi)充有汞、惰性氣體及金屬鹵化物，比同亮度的普通白熾燈節(jié)電80%，具有使用壽命長(zhǎng)和破霧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于攝像、公路、廣場(chǎng)和體育館等大型照明器材。碘化鈉因成本低，是金屬鹵化物的主成分，但鈉的譜線為589.0nm和589.6nm兩條黃光區(qū)光線，添加幾毫克的鈧，光色就魔幻般變得養(yǎng)眼宜人。因鈧的發(fā)光波長(zhǎng)集中在361.3～424.7nm，鈉的黃光中增添藍(lán)色，二者互補(bǔ)使鈧鈉燈的發(fā)光自然柔和，如同太陽光，即使深夜的球場(chǎng)視覺也亮如白晝。

在金屬—絕緣體—半導(dǎo)體矽光電池和太陽能電池中，Sc是最好的阻擋金屬，可將散落的光能集聚轉(zhuǎn)化為新能源電力。從礦物中提煉的45Sc是Sc的唯一天然同位素，原子核中有21個(gè)質(zhì)子和24個(gè)中子。Sc在核反應(yīng)堆中吸收中子輻射，原子核中多1個(gè)中子即生成46Sc。人工放射性同位素具有高能的光子流，可用作γ射線源或示蹤原子，還可用于放射醫(yī)療。如釔鎵鈧石榴石雷射器、氟化鈧玻璃紅外光導(dǎo)纖維、鈧涂層的陰極射線管等產(chǎn)品。足見，光學(xué)材料中Sc的神奇魔力。

南京工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)研發(fā)的Sc基納米發(fā)光材料，采用不同方法制備了粒度均勻、形貌可控的含Sc微/納米材料，摻雜其他稀土離子，合成紅、綠、藍(lán)及白光可調(diào)的Sc基發(fā)光材料。其中，六方相氟化物（NaYF4Yb/Er）發(fā)出明亮的綠光，而六方相NaScF4Yb/Er僅用Sc取代Y就具備了紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光功能。研究人員進(jìn)一步根據(jù)ScOOH納米晶摻雜Eu3+和Tb3+退火前后發(fā)光強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反這一現(xiàn)象，制得高溫?zé)晒馓结槻牧?，具有很?qiáng)的紅色熒光發(fā)射特性，制備了首個(gè)以Sc基納米材料為基質(zhì)的LED發(fā)光器件。

Sc不僅用于普通照明，而且是激光器的核心元素。釓鎵鈧石榴石晶體是以Sc代替部分Gd制成的基質(zhì)材料，相對(duì)于Y、Al替代的類似晶體，該材料新型激光器可提高2～4倍發(fā)射功率，適用于制備大功率的小型激光裝置。目前已用于反導(dǎo)軍工領(lǐng)域，并逐步轉(zhuǎn)向民用。

3.3 鈧是點(diǎn)石成金的“調(diào)料”

Sc因高成本，在眾多領(lǐng)域作為神奇的“調(diào)料”使用，如同廚師用鹽、糖、味精，僅一星半點(diǎn)即生畫龍點(diǎn)睛之效。在作基體的晶體結(jié)構(gòu)中摻入少量其他化合物，因被摻雜物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)異于原有基體，晶格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，提升原性質(zhì)或增添新活性，許多材料因摻入Sc而化腐朽為神奇。只加入千分之幾Sc的鋁即可生成A1Sc新相合金結(jié)構(gòu)。加0.2%～0.4%的Sc使再結(jié)晶溫度提高150～200℃，且高溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、焊固性和抗腐蝕性均明顯提升，并消除因長(zhǎng)期高溫產(chǎn)生的脆化現(xiàn)象。Sc也是鐵的改良劑，可顯著提高鑄鐵的強(qiáng)度、硬度。

另外，Sc還用作高溫鎢鉻合金的添加劑。也被套用在鈧鈦合金和鈧鎂合金這樣的高熔點(diǎn)輕質(zhì)合金上，但因昂貴，一般只用于太空梭和火箭等高端裝置。在高溫反應(yīng)堆核燃料二氧化鈾（UO2）加入少量Sc2O3可防止因UO2向U轉(zhuǎn)化發(fā)生的晶格轉(zhuǎn)變、體積增大及裂紋。在鎳堿電池中加入2.5%～25%的Sc，延長(zhǎng)使用壽命。在有機(jī)反應(yīng)中，與無機(jī)材料中的摻雜不同，鈧作為催化劑使用。Sc2O3用于乙醇或異丙醇的脫水、脫氧反應(yīng)，乙酸的分解反應(yīng)，由一氧化碳和氫氣制乙烯的反應(yīng)等。含Sc2O3的Pt—A1催化劑在石油化工中作為重油氫、提凈、精煉流程的關(guān)鍵催化劑。另在異丙苯裂化反應(yīng)中，Sc—Y沸石催化劑較酸鋁催化劑的活性大100倍。

3.4 鈧改良陶瓷材料

全球Sc金屬的年產(chǎn)量較少，精煉Sc的主要供應(yīng)物——Sc2O3舉足輕重，用于紫外線探測(cè)器的光學(xué)涂層，以及核反應(yīng)堆的中子濾波器等。單質(zhì)Sc一般套用于合金，而Sc2O3也物以類聚。在陶瓷材料上，可用作固體氧化物燃料電池電極材料的四方相氧化鋯陶瓷材料，電導(dǎo)隨溫度和環(huán)境中氧濃度增高而增大的特性。但這種陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定，不具工業(yè)價(jià)值，必須摻雜固定晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)才能保持原有特性。故摻入6%～10%的氧化鈧，才能讓氧化鋯穩(wěn)定在四方晶格上。在高強(qiáng)度、耐高溫的工程陶瓷材料氮化硅中，氧化鈧作為增密劑和穩(wěn)定劑，在細(xì)小顆粒邊緣生成難熔相Sc2Si2O7，從而減弱工程陶瓷的高溫變形性，相比其他氧化物，更好地改善了氮化硅的高溫機(jī)械性能。

3.5 鈧優(yōu)化農(nóng)業(yè)育種

Sc的配位化合物有催化氫胺化反應(yīng)的潛力，如用作種子催芽劑。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可對(duì)玉米、小麥、向日葵、甜菜、豌豆等種子做硫酸鈧（濃度一般為10-3mol/L或10-8mol/L，不同植物不同調(diào)適）處理，有促進(jìn)發(fā)芽的實(shí)驗(yàn)效果（8h后，根和芽的干燥重量相比幼苗，分別增加37%和78%）。

4 無限可期的鈧元素

從尼爾森發(fā)現(xiàn)探究Sc原子量數(shù)據(jù)至今，Sc進(jìn)入人們的視野不過140多年，卻沉寂了近百年。今天，連同Sc在內(nèi)的稀土元素都已成為材料科學(xué)中的掌上明珠，創(chuàng)造了不可或缺的價(jià)值。鈧一誕生即躋身稀土家族“顯貴”，實(shí)現(xiàn)從“無人問津”到“奇貨可居”的華麗轉(zhuǎn)身。Sc正在靜默地為生產(chǎn)、生活帶來無限品質(zhì)與精彩，伴隨科技的飛速發(fā)展，神奇的Sc元素必將綻放更加絢麗的光芒。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.017

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