中國粉體網訊 中國粉體網小編從澎湃新聞獲悉，“稀土催化研究院簽約暨揭牌儀式”于8月9日在山東東營成功舉行。
據官方披露的信息，“稀土催化研究院”是在國家新材料產業發展專家咨詢委員會指導下，由天津大學牽頭、聯合行業內主要領軍企業籌建成立的國家級研究機構，旨在圍繞國家戰略需求，結合國家重點新材料研發及應用重大項目，構建學術鏈、創新鏈、產業鏈融合新型研發創新體系，解決稀土催化材料技術在行業應用中的“卡脖子”問題，打破國外的專利壟斷和技術封鎖，占領未來產業技術制高點，為實施科技強國戰略做支撐。據悉，稀土催化研究院將在移動源尾氣凈化、固定源廢氣治理、新能源催化等方面重點布局，實行國家+行業+企業的運營模式。
圖：凌文副省長與干勇院士共同為“稀土催化研究院”揭牌。（來源：國瓷材料）
稀土材料作為一類同時具有電、磁、光及生物化學等多種特性的環境友好型功能材料，在解決環境問題上發揮著不可替代的作用。由于稀土元素具有豐富的能級和特殊的4f外電子層結構，且稀土氧化物的晶格氧有可移動性、陽離子有可變價性、表面呈弱堿性，這些特點都使得稀土尤其是稀土氧化物在氣相催化中表現出優異特性。稀土氧化物，尤其是含有4f軌道上電子較少的鑭、鈰等輕稀土元素的氧化物被廣泛應用于催化領域，在廢氣治理、環境凈化方面具有巨大應用市場和發展潛力。
1 稀土在移動源尾氣凈化中的應用
2017年，全國機動車保有量達到3.10億輛，4項污染物排放總量初步核算為4359.7萬噸。其中，汽油車的CO和HC排放量較高，CO超過汽車排放總量的80%，HC超過70%；柴油車排放的NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%；占汽車保有量7.8%的柴油貨車，排放了57.3%的NOx和77.8%的PM。機動車污染防治的緊迫性日益凸顯。
1）用于汽油車尾氣凈化的稀土催化材料
三效催化凈化(TWC)技術是目前全世界普遍采用的汽油車排氣后處理技術。隨著技術的發展，以堇青石蜂窩陶瓷為載體、活性氧化鋁為涂層的貴金屬三效催化劑已經發展成熟。它能夠同時去除HC、NOx和CO這3種主要的汽車尾氣污染物。為了達到最好的催化效果，其中的氣體必須在合理的化學氧化/還原計量比范圍內，因此由Ce，La，Pr，Nd等輕稀土的氧化物組成的催化助劑和儲氧材料發揮了關鍵作用。它一方面是穩定貴金屬活性組分的載體，另一方面可以在短時間內對氧的波動進行補償，達到調整催化反應氧化/還原比的效果。
目前，CeO2-ZrO2復合氧化物已經發展為主流的儲氧材料，廣泛應用于三效催化材料中，且短期內無法替代。據統計，我國每年僅用于汽車尾氣凈化的CeO2-ZrO2復合氧化物年需求量就高達4000 t。隨著汽車產量持續維持高位，以CeO2-ZrO2復合氧化物為代表的稀土催化材料需求量也必然居高不下。
2）用于柴油車尾氣凈化的稀土催化材料
目前，國內外針對柴油車尾氣去除氮氧化物的催化技術主要是氨類選擇催化還原技術(NH3-SCＲ)。在催化劑的作用下，NH3優先和NOx發生還原脫除反應，生成氮氣和水，從而減少NOx的排放。傳統的SCＲ材料是釩基催化材料。柴油車尾氣由于呈現溫度變化范圍大(100～500℃)、尾氣成分波動大、水蒸氣含量高的特點，中高溫活性好(300～500℃)的釩基催化材料幾乎無法滿足需求。而且釩還具有高毒性、高溫下易揮發、高溫熱穩定性差且高溫NH3過氧化容易生成N2O等缺點。目前在研究領域中開發的非釩SCＲ催化劑主要包括分子篩催化劑和金屬氧化物催化劑兩類。
金屬氧化物催化劑主要包括Fe基、Ce基、Cu基和Mn基催化劑等。由于稀土氧化物特別是氧化鈰應用在NH3-SCＲ催化劑中具有提高催化劑的低溫活性、耐堿性和水熱穩定性等改性效果，在近年逐漸成為NH3-SCＲ領域研究的熱點。
2 稀土在固定源廢氣治理中的應用
1）用于工業煙氣脫硝的稀土催化材料
固定源的NOx排放主要來自于熱電廠、水泥廠、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠及其他類型工業設施。V2O5-WO3/TiO2(簡稱VWTi)是我國目前工業化應用最廣泛的固定源脫硝催化材料。由于V具有生物毒性，對環境產生較大的影響，美國、歐洲、日本等國已經對其禁止使用，因此非釩基脫硝催化材料將是未來發展的主流。但固定源煙氣中含有大量的堿金屬(Ca，K等)等雜質，導致以Cu，Mn等為活性中心的SCＲ篩催化材料迅速失活。所以截止目前，這兩類非釩催化材料在固定源脫硝領域的應用仍然有限。相對而言，稀土氧化物尤其是氧化鈰基脫硝催化劑具有高效、無毒、無二次污染性等特點，可替代高毒的釩鈦系，實現環境友好。
目前，國內第一套稀土脫硝催化劑標準已經制定出臺(《稀土型選擇性催化還原(SCＲ)脫硝催化劑》GBT34700－2017)。以山東天璨環保科技股份有限公司為代表的企業也將稀土基脫硝催化劑應用于國內部分火電廠和工業鍋爐。2017年之后，火電行業原有的釩鈦脫硝催化劑逐漸進入失效期，需逐步開始換裝，加之火電行業新增運能對脫硝催化劑的需求增加，若以稀土脫硝催化劑代替釩鈦脫硝催化劑，每年需用4～5萬噸CeO2。這為稀土脫硝催化劑的應用帶來了機遇，同時也為氧化鈰在大氣污染治理的高附加值應用開拓了市場。
2）用于揮發性有機污染物去除的稀土催化材料
揮發性有機化合物(VOCs)是指大氣中除單質碳、甲烷、CO和CO2之外的含碳化合物，交通、工業和民用是其三大主要來源。VOCs對環境以及人體健康的危害已引起社會公眾的普遍關注，針對該污染物的催化凈化技術是近年來大氣污染物治理最為活躍的領域之一。常用的VOCs處理方法包括吸附、直接燃燒、光催化和催化燃燒法等。但從經濟角度看，催化方法由于其能耗低和副產物無毒等特點而受到更多重視。利用稀土材料改善催化燃燒的效果，可以降低燃燒溫度、提高燃燒效率、減少NOx和不完全燃燒產物的形成，具有高效節能、環境友好等優點。
3 稀土催化材料在天然氣催化燃燒中的應用
催化燃燒是一項高效、環保、節能、運行安全的能源優質利用高新技術。與普通火焰燃燒相比，催化燃燒具有燃燒效率高、燃燒穩定、污染物〔一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和HC〕等超低排放等優點。中國天然氣資源豐富，我國陸上和近海115個盆地的天然氣遠景資源量為56萬億m3，天然氣可采資源量為22萬億m3左右，主要分布在西北、西南和近海地區。天然氣在國家能源結構中所占比例逐年增加。發展與開發國際先進的高溫稀土催化燃燒材料與技術，提高天然氣能源高效利用，改變傳統的燃燒方式符合中國國情和發展道路。隨著世界能源消耗不斷增長和環境標準更加嚴格，開發節能、環保、高效的新型能源材料和尾氣處理材料是未來的發展方向。
小結：
盡管我國稀土資源豐富，但目前處于大而不強的地位，促進稀土材料產品的高質、高效應用仍是稀土產業發展的重要出路。從這個意義上說，深化稀土催化材料在環境治理方面的技術開發和應用，既可減少環境污染，又能高效利用我國高豐度的輕稀土資源。
資料來源：
翁端等：鈰基稀土催化材料在大氣污染治理中的研究進展.清華大學.中國材料進展
崔梅生等：稀土催化材料及其應用.北京有色金屬研究總院有研稀土新材料股份有限公司.新材料產業
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