稀土除氧技术中的“狠角色”

傅凯 李星国

稀土金属因其特异的光、电、磁和催化性能，已在能源、信息、环保、农业、国防等多领域广泛应用。新型功能材料对稀土金属的高纯化需求日趋提高。然而，氧元素与稀土金属的结合力极强，难以利用传统的熔炼技术去除，严重制约了稀土功能材料的发展。对此，研究人员别出心裁地求助于稀土除氧的“狠角色”，引入外部驱动因素，终于将氧杂质“逼”出来，实现了超低氧含量稀土金属的制备。

“牺牲自我”的活性除气剂

第一个“狠角色”当属活性除气剂。既然氧元素与稀土金属的结合力强，那在稀土金属周围包覆一层吸氧能力更强的活性除气剂，不就可以把氧杂质吸引过来了吗？活泼金属钙当仁不让地承担起这一角色。利用18O2示踪同位素标记技术进行机理探究，可以发现稀土中的氧杂质会在热处理過程中自动扩散到外部，与钙金属结合。活性金属除气剂无畏地牺牲了自己，将氧杂质牢牢锁在自己体内，最终实现了对高纯稀土金属的保护。

“威逼利诱”的氢等离子体

等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。当气体状态接受足够的能量即可变为等离子体态。若在接近于大气压的情况下进行放电，那么动能会通过电子、离子以及中性粒子的激烈碰撞而充分交换，这样就使等离子体达到热平衡状态，称为热等离子体。也正由于等离子体的激烈产生方式，使其具有特殊的能量，成为稀土除氧技术中的“狠角色”。利用阴阳极放电击穿氩气和氢气的混合气体，就可以产生高温高动能的氢等离子体电弧。利用电弧对稀土金属进行熔炼，可以得到超低氧含量的稀土金属。其机理是这样，等离子体首先利用超高温将稀土金属熔化，“威逼”氧杂质到金属表面。而冲击熔体的氢等离子体具有很高的还原活性，“利诱”迁移到表面的氧杂质，最终实现对稀土金属的提纯。

“来去无踪”的固溶氢原子

以上两种提纯技术，都是将氧杂质引出来，因此需要活性极高的除气剂或等离子体。然而固溶氢原子深谙“不入虎穴焉得虎子”的道理，像“潜伏者”一样深入稀土金属内部去清除氧杂质。由于稀土金属与氧的结合力太强，常用的还原剂氢气不足以实现对氧杂质的还原。然而，稀土金属可以催化氢气在金属表面裂解为氢原子，并均匀向内部扩散，固溶在晶格间隙中。利用这一性质，氢原子可以在温和条件下固溶到稀土金属内部，包围氧杂质，并且由于外层电子的变化获得更强的还原能力。在随后的真空加热过程中，固溶氢原子可以结合氧杂质一起脱离稀土金属，实现高纯化。固溶氢原子在整个过程不产生二次污染，是一种来去无踪的除氧“狠角色”。

研究人员利用这三种除氧“狠角色”实现了超高纯稀土金属的制备，为我国的高纯稀土产业提供了创新思路，也为提纯机理的计算模拟研究带来了不可小觑的信息库，更为将来的技术问题解决做好了理论储备。