稀土材料及其节能应用

叶羽锦　甘家毅　蒋艺

一、引言

稀土有“工业维生素”的美称。如今已成为极其重要的战略资源，也是贺州市重要的战略资源。稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序数为57～71的15种镧系元素氧化物，以及与镧系元素化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17种元素的氧化物。

二、稀土永磁节能材料

烧结钕铁硼永磁材料作为稀土永磁材料的第三代产品，是一种高剩磁、高矫顽力、高磁能积的实用新型永磁材料。主要应用于风力发电、变频家电、节能电梯、汽车电机、其他工业节能电机等方面，对磁能积和严格要求轻薄短小的下游领域有不错的效果。

我国的钕铁硼的应用分为高科技用途、传统用途和低档用途。高科技用途包括混合动力汽车电机（HEV），永磁风力发电机，无刷直流电机，MRI，VCM，电动助力车（EAV）等。这部分用量增长最快，占我国钕铁硼磁体消费的50%左右，近年来是拉动钕铁硼磁体消费的主要动力。低牌号用途主要是在浙江慈溪等地生产的服装、箱包用的磁性纽扣或家具上门吸等。在此方面的用途所占比例正逐渐降低，但总量仍逐年增加，因它作为废料可以回收再利用，仍有一定的生命力。

钕铁硼的传统应用目前没有衰退，随着低碳经济理念的到来，它正应用到新的领域。随着新的应用领域还未得到完全开发，预计未来5年钕铁硼行业全球仍将保持15%的增速，而我国有望保持20%的增速。

三、稀土发光节能材料

在照明领域，享有第四代照明光源美誉的固体白光LED，以其节能、环保和长寿命的突出优点受到越来越多的科研人员的关注，LED将成为21世纪新一代的环保节能光源。正是因为其有其他照明光源无可替代的优点，包括中国、美国、日本和欧洲在内的世界各国都加大了对这一领域的研究，都争相抢占开发这一领域的知识产权。

与卤粉荧光灯相比，应用了稀土发光材料的节能灯（稀土荧光灯）的光效更高，显色性更好，使用寿命也更长，节能灯能够在卤粉荧光灯的基础上节能30%～50%，显色指数提高15%～40%，使用寿命增加三倍以上。2013年6月，中科院（财苑）应用化学研究所与成都四川新力光源股份有限公司合作研发的“发光余辉寿命可控稀土LED发光材料研发及其在半导体照明中的应用”成果，近日通过了由中科院组织的成果鉴定。专家组认为，该原创性稀土发光材料有效解决了国际上一直未能攻破的交流LED照明设备频闪的问题，并实现了从基础研究到产业化的跨越，达到了国际领先水平。同时也使中国成为世界上唯一掌握通过稀土荧光粉生产低频闪交流LED产品的国家。

另外，稀土长余辉发光材料是一种新型环保节能材料，它能在吸收太阳光和灯光的能量之后，将部分能量储存起来，然后缓慢地把储存的能量以可见光的形式释放出来。它在光源撤除后仍能长时间地发出可见光，且还具有耐高温、耐摩擦、高强度、耐刻划、阻燃、高化学稳定性等优良特性，是理想的节能环保长寿命光学材料，在建筑、交通和国防等领域有重要的价值。

四、稀土储氢材料

燃料电池是氢能开发利用的最有效的方式之一。它是一种全新的绿色电池，通过氢和氧发生化学反应获得电能，产物是水，具有能量转换效率高、静音和低排放等其他二次电池所无法比拟的优点。从20世纪90年代起国内外掀起了一股研究燃料电池的热潮，特别是质子交换膜燃料电池，它将成为部分电动汽车和电动助动车的动力。

采用稀土储氢合金为负极材料的镍氢二次燃料电池，与传统的镍镉电池相比较，镍氢电池具有能量密度高、耐过充、充放电能力强、无重金属镉污染等优点。它广泛应用于汽车、摩托车、自行车等交通工具及笔记本电脑、传真机、数据录入器等信息化产业中。此外，稀土储氢合金在氢气的分离提纯回收运输、热泵、空调制冷、传感器及驱动器等方面也有大量的应用。

镍氢电池在电动工具和电动汽车领域正显示出巨大的发展前景。最近几年的汽车市场上，混合动力汽车的发展前景受到各方面的一致好评。各大合资和本土汽车厂商也纷纷推出混合动力汽车车型和开发计划，国家发改委于2008年初适时为服务于奥运的奇瑞A5、一汽奔腾等混合动力汽车颁发了“准生证”，同时加紧制定混合动力汽车的鼓励政策和相关标准，鼓励混合动力汽车的发展。随着技术的进步和厂商有针对性的推广，中国混合动力汽车市场的大门将逐渐打开。

专家预计“十三五”期间，中国混合动力汽车市场将迎来井喷式增长，年均增长率将达到12%。

五、稀土催化材料

稀土催化材料具有良好的助催化性能，已形成石油化工催化剂、汽车尾气净化催化剂、柴油清洁添加剂、天然气催化燃烧材料、有机废气净化催化剂、固体氧化物燃料电池（SOFC）催化材料以及合成橡胶稀土催化剂等多种产品。它已成为石化、环境、能源、化工等催化应用领域不可或缺的重要组分。

目前，石油化工裂化催化是稀土催化剂最主要的应用领域。以2015年为例，我国原油加工量达到了5.22亿吨，使用FFC稀土分子筛催化剂消费的稀土就已经达到10000吨。据专家预测，2015～2020年，我国原油加工量将继续保持在5亿吨以上，用于FCC催化剂的稀土用量将超过10000吨。

稀土除用于制造石油裂化催化剂外，在汽车尾气净化催化领域也已得到了广泛应用。采用稀土作为助催化剂，可以有效提高催化剂的性能并减少贵金属的消耗量。2000年欧洲制定欧Ⅱ标准，规定了一氧化碳、氮氧化物等排放的具体标准，到2005年实施欧Ⅳ标准时，上述排放物允许数量又下调了40%～50%。随着环保法规对汽车尾气排放的日益严格的控制，稀土汽车尾气催化剂市场将进一步扩大。据专家预测，2020年我国汽车产量将超过2500万辆，我国汽车尾气净化器市场需求量至少在2000万套以上，对稀土催化材料的消费需求将超过5500吨。

六、其他节能材料应用

稀土合金。将稀土元素引入镁合金，形成具有高强度性、耐腐蚀性能好、耐高温的镁稀土合金是镁合金研发的前沿。以通用汽车应用镁稀土合金的发动机为例，在一台V6缸体、活塞等部件运用镁稀土合金，总计减重18kg，减重率为30%，镁稀土合金汽车轮毂已在日本得到了应用。实验数据显示，在高速公路运行，和铝合金轮毂汽车相比，它降耗20%；在市内运行降耗达15%以上。稀土高铁铝合金电线电缆，综合成本比铜质材料低20%，每公里线路降低15%以上造价以及降低2%～3%。

稀土超导体。应用氧化钇，稀土超导体是一种高温超导材料，现已发现许多单一稀土氧化物及某些混合稀土氧化物都是制造高温超导材料的原料。超导材料可以制作超导磁体而用于磁悬浮列车，可用于发电机、发动机、动力运输、微波及传感器等方面，节能效果显著。

太阳能电池。应用氧化铒、氧化镱。通过具有光谱上、下转化功能的稀土发光材料可以将太阳能电池不能有效吸收并利用的紫外光和红外光转换成能被太阳能电池有效吸收利用的光，从而使硅材料的太阳能电池的光电转换效率提高2%～4%。

七、结语

在全球逐步迈入工业4.0的背景下，“中国制造2025”也开始在“十三五”进入政策的黄金期，也是贺州市“十三五”发展稀土产业的黄金期。处于改革转型期新常态的中国经济需要发展广泛应用稀土的新能源、新材料等高科技产品，这正是新兴产业的发展方向。稀土材料拥有优越的性能，在整个国民经济中，将越发体现出其不可替代的作用。

（叶羽锦单位为贺州市节能监察中心；甘家毅单位为中铝广西有色金源稀土有限公司；蒋艺单位为贺州职业学院）