【稀土科普】快收藏！秒懂稀土催化材料

稀土催化材料

稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征，表现出良好的助催化性能，因此被用作优良的催化材料。

稀土元素的催化活性基本上可以分为两类：

▶  与4f轨道中的电子数（1-14）相对应呈单调变化，如加氢、脱氢、酮化学；

▶  与4f轨道中的电子的排布（1-7,7-14）相对应呈周期变化，如氧化。

稀土催化剂优点：相对传统催化材料，稀土催化剂具有催化活性高、比表面积大、稳定性好、选择性高、加工周期短等特点。与传统贵金属催化剂相比，稀土催化剂在资源丰度、成本、制备工艺以及性能等方面，都具有较强优势。

稀土在催化剂中的作用

（1）提高催化剂的储氧能力；

（2）提高活性金属的分散度，改善活性金属颗粒界面的催化活性；

（3）降低贵金属用量；

（4）提高Al2O3等材料的热稳定性；

（5）促进水气转化和蒸汽重整反应；

（6）提高晶格氧的活动能力等，从而使催化剂的性能得到显著提高。

稀土催化材料分类

▶  相关资料显示，能够在工业中获得应用的稀土催化材料主要有3类

▶  按照用途的不同，稀土催化材料主要分为石油裂化催化剂、机动车尾气净化催化剂、催化燃烧催化剂、合成橡胶催化剂、光催化剂、燃料电池催化剂。

稀土催化材料产业链

稀土催化材料企业

▶  国外：比利时优美科、Solvay；德国BASF；加拿大AMR；日本DKKK；英国庄信万丰；美国雅宝等

▶  国内：无锡威孚力达、四川润和催化、山东国瓷、中国石化、溧阳索尔维稀土、有研稀土、青岛惠城环保、山东国瓷功能材料等

▶  包头：包头稀土研究院、内蒙古希捷环保科技、华元科技、朗特等

稀土催化材料应用

01、汽车尾气净化催化剂

▶  主要用到的稀土元素：镧、镨、钕及铈基材料

▶  添加稀土成分后可以大大减少催化剂中贵金属的比例，在载体中，稀土用作改善机械强度和热稳定性。

02、石油化工催化剂

▶  主要用到的稀土元素：镧、铈

▶  可以改善分子筛的活性、选择性、水热稳定性和抗钒中毒能力，提高液化气及烯烃的收率，增强重质油的转化能力。

▶  石油化工用催化剂是目前消耗轻稀土较多的品种。

03、催化燃烧催化剂

▶  主要用到的稀土元素：镧、镨、铈、钐、钆

▶  以其良好的例子和电子导电性可实现对燃料电池电极材料、电解质和链接部件导电性能的完全调节，从而改善固体氧化物燃料电池的性能。

04、高分子材料合成助剂

▶  主要用到的稀土元素：镧、铈等轻稀土

▶  产品性能无毒、高效、多功能，可以显著改善塑料的加工性能和其他性能，市场售价低，性价比优于传统助剂。

05、新能源领域

▶  固体氧化物燃料电池

06、环保催化剂

▶  机动车尾气净化——氧化铈

▶  有机物废水处理——氧化钛加入轻稀土，活性提高

▶  有毒废气的催化净化

稀土催化材料研究分析

早在二十世纪二十年代就出现了研究稀土化合物催化作用的研究。1924年剑桥三一学院的Arthur Kennet Goard在伦敦皇家学会上报道了铈盐的催化效应，Richard Leslie Swan在Journal of the Chemical Society, Transcations期刊上上发文探讨了铈和钍氧化物的催化作用以及他们对维尔斯巴赫地幔理论的影响。随后的近70年中，年发文量多在50篇以下。经历了漫长的技术萌芽期后，1991年年度发文量首次超过100篇，稀土催化材料的研究快速发展，成果产出数量以相对稳定的速度攀升，进入快速增长期，平均年增长率达到8.6%，2017年达到1733篇，并呈现出持续增长的趋势

稀土催化材料发文趋势

中国发文量占全球的25%，远超排名第2位的美国（10%）。日本、印度、法国、德国分别位列第3至第6位，占比均超过5%。美国、法国、日本、印度较早涉足该领域。进入快速增长期后，日本在1993~2000年间表现出较明显的数量优势。2002年，中国年发文量首次超过日本，并在2004年后保持绝对的领先优势，2018年中国的发文量占世界的38.7%，成为全球稀土催化材料发文量较多的国家。

稀土催化材料专利分析

1919年即开始有稀土催化相关技术的申请，主要包括用于催化氮和氢合成反应制备氨的催化剂，以及用于催化乙烯制造醇或醚的催化剂等。从申请总趋势看，稀土催化材料相关专利申请大体经历了四个阶段：

（1）技术萌芽期（1919年～1955年），专利量在50件以内；

（2）缓慢增长期（1956年～1993年）：该时期年度专利量从1962年的98件增长到了1992年的1000件以上；

（3）快速增长期（1994年～2004年）：该时期专利量增长呈加快趋势，年均增长率为13.47%；

（4）波动增长期（2006年至今）：此时期专利量呈现出波动增长的趋势，2016年专利量多，2018年专利量亦在4000件以上。

稀土催化领域相关专利申请趋势

中国、美国、欧洲、日本、加拿大和韩国等为全球专利权机构重点布局保护的国家/地区，其中，在中国布局的催化专利数量多，为22286件；美国位居第二，为13872件；欧洲位居第三位，为7837件，日本为4660件。

2018年稀土催化相关专利全球市场布局

稀土催化材料发展趋势

二十年代开始出现稀土催化材料的研发，经过漫长的技术积累，1991年后进入快速发展阶段。近年来稀土催化材料的研发集中在中国、美国、日本、印度等国家。其中，美国、法国、日本、印度较早涉足该领域，日本短暂引领研发活动，二十世纪后中国迅速赶超成为全球稀土催化材料发文量较多的国家。中国、美国、欧洲、日本、加拿大、韩国澳大利亚、英国和中国台湾地区为全球专利权机构重点布局保护的国家/地区。

目前稀土催化材料的研究发展趋势主要集中在

▶  提高催化剂耐久性，降低催化剂成本

▶  开发稀土改性的无钒、少钒工业废气脱硝催化剂、适应更先进尾气排放标准的新型汽车尾气净化器、提高催化剂热稳定性和氧传输能力的铈锆储氧材料等

▶  固体燃料电池电极、电解质材料的优化和改良等

▶  改进催化剂性能等

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