缤纷世界 藏不住的钒之美

苏更林

迟到“女神”终露“真容”

钒的英文名是Vanadium，据说是根据北欧神话中年轻美丽的女神“Vanadis”命名的。钒之所以被赋予如此浪漫的名字，源于其化合物的五彩纷呈。钒化合物的氧化态十分丰富，每个氧化态都对应一种特定的颜色。通常，钒化合物以+2、+3、+4、+5的氧化态存在，其溶液分别对应着紫色、绿色、蓝色、黄色。

1801年，西班牙化学家、矿物学家德尔里奥发现了钒。当时，德尔里奥从钒铅矿中提取了多种不同颜色的盐类，这些盐类经过加热后变成了红色。他认为这是因为其中含有一种新元素，因其色彩十分艳丽，因此将这种新元素称为 “泛色”，意思是“所有的颜色”；又因其氧化盐在加热时会变成红色，所以后来对其重新进行了命名，意思是“红色”。

不过，当时有的化学家认为，这些红色的盐是被污染了的铬矿物，而德尔里奥竟然接受了这样的说法，因此没有公布发现新元素的事情。

1830年，瑞典化学家塞夫斯特伦在研究铁矿石时再次发现了这种元素。据称，他是从用酸溶解铁之后的残渣中发现的。塞夫斯特伦认为，色彩丰富的新元素应当有一个浪漫的名字，因此，他把这种元素命名为钒，源自一位美丽的女神“Vanadis”的名字。

同年，德国化学家维勒认为，塞夫斯特伦发现的所谓新元素与30年前德尔里奥发现的元素应该是同一种元素，既然德尔里奥发现在先，就应该以德尔里奥的命名作为该新元素的名字。然而这个提议并没有被采纳，倒是塞夫斯特伦命名的“钒”被采纳了。

至此，迟到了30年的“女神”，总算为钒元素一波三折的发现故事画上了一个句号。不过“女神”到底长什么样，当时并没有人知道。随着科技的进步，30多年后，世人才得以看见钒的“真容”。含钒的矿石有很多，色彩自然也很丰富。藏不住的钒之美，引来了不少科学家的围观和探索，只是很长时间以来，人们都没能分离出单质钒。

直到1869年，英国化学家罗斯科在用氢气还原二氯化钒时，成功制得了单质钒。1925年，美国化学家马登和里奇在用金属钙还原五氧化二钒时，获得了纯度为99.7%的可锻性金属钒。

大千世界因钒而美丽

你或许会好奇彩色玻璃为何是彩色的。其实，彩色玻璃不是用染料直接染成的，而是在生产玻璃时添加了着色剂的缘故。这些着色剂大多为金属氧化物，由于不同的金属元素具有不同的光谱特征，因此不同的金属氧化物就会呈现出不同的颜色。

作为玻璃着色剂，根据价态的不同，钒的氧化物可以呈现为黄色、黄绿色和蓝色等。钒氧化物的着色能力不如铬氧化物，所以玻璃最终呈现何种颜色，要由多种氧化物的共同作用来决定。当然，通过改变熔炼工艺参数来调节金属元素的化合价，也可以调整玻璃所呈现出的颜色。

同样的道理，彩色陶瓷的制作也需要用到着色剂。偏钒酸铵是一种白色或略带淡黄色的结晶性粉末，在陶瓷工业中被广泛用作釉料，也可用于制取五氧化二钒，还可用作发色剂、催化剂、催干剂、媒染剂等。偏钒酸铵用作发色剂最具代表性的产品是钒锆蓝，这是一种以钒为发色元素、以锆英石为载色母体的人工合成着色矿物。钒锆蓝的色调为天蓝色，主要用于坯用色料、建筑卫生陶瓷色釉以及釉下彩装饰等。

金属钒的毒性很低，但其化合物多为高毒或中毒。随着钒的化合价的升高，其毒性会增强，如5价钒的毒性要比3价钒的毒性大3～5倍。新一代环保材料钒酸铋是一种亮黄色的无机化学品，适用于各种黄色交通标志物、汽车面漆、橡胶制品、外墙涂料以及塑料制品等的着色。但由于其价格较贵，故更多用于对呈色性能要求高的场合。

没有钒钢就没有汽车

“汽车大王”亨利·福特曾说过：“没有钒钢，就没有汽车。”何为钒钢？钒钢就是以钒作为主要合金元素的合金钢。对于福特来说，把钒钢应用于汽车制造就是其走向成功的拐点。难怪有人说“钒钢成就了福特”。

钒钢能够走进福特的世界，缘于一次意外的事故。1905年的一天，在美国佛罗里达州举行的一场汽车赛事中发生了一起严重的車祸，被撞车辆为一辆法国产汽车。事故发生后，救援人员以及事故调查人员迅速赶到了现场。

当时，福特也在现场观看比赛。在一片狼藉中，福特的视线被一块发亮的碎片吸引了。他将这块碎片捡起来看了看，又掂了掂……如此轻又结实的碎片到底是由什么材料制成的？福特悄悄地把这块碎片放进了自己的口袋，希望能从中发现一些秘密。

调查报告很快就出来了。原来这是从事故车辆的阀轴上掉下来的碎片，其中含有少量的金属钒。调查认为，事故车辆的阀轴使用含钒钢材也许只是偶然为之，因为汽车上的其他部件并没有全部使用这种钢材。后来，了解到钒的特性后，福特将钒加入到了福特汽车的大家庭中。福特汽车的超级产品“T型车”取得成功的首要因素是技术创新，这要归功于钒钢在福特汽车中的应用。

要想大规模使用钒钢，就需要有钒钢的稳定供应。20世纪初，钒的冶炼还是一个尖端研究课题，钒钢在美国也还是一种新兴材料。幸好，福特有两个好朋友在秘鲁拥有一座钒矿，并向欧美国家供应钒钢产品。1907年，福特在朋友的帮助下建造了自己的钒钢工厂，从而保障了福特汽车所需钒钢的供应。

如今，世界钒产量的80%～90%都应用于冶金工业，足见钒在金属材料生产中的重要地位。据悉，钒在金属材料中的含量并不高，然而其作用十分明显。高速切削钢中的钒含量仅为0.5%～2.5%，工具钢和机械制造用钢中的钒含量仅为0.1%～0.25%，即便如此，钒的加入也能极大地改善合金性能，大幅度提高其强度。难怪，人们把钒誉为冶金工业的“维生素”。

钒在2008年北京奥运会的主体育场—国家体育场（“鸟巢”）的工程建设中也发挥了重要作用。如果使用普通钢材，建设“鸟巢”约需用钢8万多吨；而使用含钒特殊钢，用钢量只要4万多吨就够了。用钢量减少一半，安全性却有增无减。

“鸟巢”所用钢材是为其量身定制的高性能建筑用钢，其核心是在钢中添加了钒氮合金添加剂，从而把普通钢变成了含钒特殊钢。需要说明的是，制造钒钢时，添加的钒往往是以钒铁、钒氮合金的形式添加的。钒铁、钒氮合金都是优良的合金添加剂，能够显著提高和改善钢材的综合机械性能与焊接性能。

所谓钒铁，指的是钒和铁组成的铁合金，是钢铁工业重要的合金添加剂。根据钒含量不同，常用的钒铁合金添加剂主要有FeV40、FeV60和FeV80三种。钒氮合金也是一种新型合金添加剂，可以替代钒铁用于微合金化钢的生产。钒氮合金添加剂可以提高合金的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能。

素有“空间金属”之称的钛合金，一向以重量轻、强度大、耐高温而著称。那么，钒和钛又有什么关系呢？在自然界中，钒和钛为共生关系。在钛合金中，钒通常作为稳定剂和强化剂，其作用就是让钛合金具有更好的延展性和可塑性。如，钛—铝—钒合金被广泛用于制造飞机发动机、火箭发动机壳、太空船舱骨架、蒸汽轮机叶片以及导弹等。

始于炼丹术，成熟于“钒”

硫酸因其应用广泛而被誉为“化学工业之母”。其实生产硫酸同样离不开氧化钒的催化之助。正是钒触媒的发明才奠定了接触法制硫酸的主流地位，并满足了日益增长的工业生产对硫酸的需求。

追溯硫酸的起点，可以发现，它并非近现代科技的产物。早在7世纪，我国关于炼丹术的早期著作《黄帝九鼎神丹经》中就有“炼石胆取精华法”的记载。“石胆”极有可能就是胆矾，即带有5个结晶水的硫酸铜。将胆矾加热，能得到什么呢？首先，胆矾会失去5个结晶水，而得到硫酸铜；进一步煅烧，可生成氧化铜和三氧化硫；三氧化硫与水发生反应后，就会生成硫酸。

大约在8世纪，阿拉伯人掌握了用干馏绿矾的方法来制取硫酸。绿矾就是含有7个结晶水的硫酸亚铁。不过，到了16世纪，人类才开始认识硫酸的化学性质。此后，人们对硫酸生产的原料选择以及工艺技术改进进行了长时间的探索和实践。

1736年，英国人沃德通过在玻璃容器中加热硫黄和硝石的混合物（比例为8：1）成功制取硫酸。1746年，英国人罗巴克利用同样的原理，建成了世界上最早的铅室法制酸模型，解决了生产容器易腐蚀、不耐压的问题。此后，经过不断改进和完善，铅室法硫酸生产工艺成为近两个世纪以来通用的硫酸生产工艺。

铅室法硫酸生产工艺的主要原理：硫黄燃烧的主要产物为二氧化硫；而硝石在燃烧中生成的氮氧化物可以氧化二氧化硫，促成三氧化硫的生成；三氧化硫與水结合后，就生成了硫酸。硫酸生产的关键步骤是二氧化硫转化为三氧化硫。从热力学角度来看，二氧化硫与氧可以自发地进行反应；然而，从动力学角度来看，二氧化硫的转化反应需要很高的门槛。在温度为400～600℃的条件下，转化反应速率非常缓慢，达不到工业生产要求的速率指标。因此，必须使用催化剂才能提高反应速率。

在早期的铅室法硫酸生产工艺中，硝石的使用实际上就起到了催化剂的作用。不过这个过程需要在有氧气和水的条件下才能进行，所以用这种方法生产出来的硫酸往往浓度较低，杂质含量较高，并且流程复杂，难以满足染料、化纤、合成、石油、化工等行业的要求。

1831年，英国一位名叫菲利普斯的食醋制造商，在用装有铂的瓷管加热硫黄时偶尔制得了三氧化硫并获得专利。1875年，德国化学家麦塞尔将铂应用于硫酸的工业化生产，进而开启了接触法硫酸生产工艺的新纪元。虽然铂的催化活性很好，在低温区的优势更为明显，但由于其价格昂贵，易中毒失活，因此对原料气的净化要求很高。基于这样的情况，铂在当时并没有被广泛应用于硫酸工业。

20世纪初，氧化钒催化活性的发现为接触法硫酸生产工艺的迅速发展提供了指引。1913年，德国知名化工企业巴斯夫（BASF）研发出了添有碱金属盐的钒催化剂，为取代铂催化剂创造了条件。现在仍在广泛使用的钒催化剂就是以五氧化二钒为主活性成分、碱金属硫酸盐为助催化剂、硅藻土为载体的钒催化剂。

在硫酸生产中，每生产1吨硫酸大约需要7.26千克的钒催化剂。钒催化剂活化温度为420～600℃，二氧化硫转化率在90%以上，并且价格相对便宜，不容易发生中毒失活。除了硫酸生产，钒系催化剂还被应用于磷苯二酸酐、乙烯和丙烯橡胶等有机化合物的生产，也可用作石油工业的裂解催化剂。

储能“新秀”到底有何不同

“双碳”战略的推进为钒的应用带来了新契机。钒电池步入储能方阵就是一个明确的信号，意义深远。那么，发展钒电池产业具有哪些影响和意义呢？

钒电池作为一种储能装置，其优势在于“大规模”。实施“双碳”战略，首要任务就是大力发展清洁能源。然而，风能、光伏等能源存在消纳难的问题，难免会出现弃电现象，解决这个问题的突破口就是大力发展储能产业。

如今，成熟的电化学电池技术很多，如广泛使用的锂离子电池等，它们虽能储能，但规模不大。为什么钒电池能够大规模储能呢？钒电池是利用不同价态钒离子之间的可逆转化来完成充放电循环的，被称为全钒液流电池。所谓液流电池，即具有“液体流动”特点的电池。就全钒液流电池来说，它实际上就是一种以钒为活性物质，通过液态电解质循环流动来工作的氧化还原电池。

说起钒电池的大规模储能，我们不妨从化学能和电能之间的转化说起。我们知道，传统小容量电池的活性物质一般都是固定在电池内部的，这就限定了其储能容量。而液流电池不一样，比如钒电池所储存的电能是以化学能的形式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液之中的。在充放电时，可以将储罐里的电解液泵送至电池内部进行电化学反应，然后再流出来储存到其他储罐里。这两个储罐分别与电池的正负极相对应。不难看出，钒电池的功率与容量是各自独立的，其功率由电堆特性决定，储能容量则由位于电池之外的储罐内的液体电解质体积决定。因此，钒电池就像一个“电力银行”，其规模完全可以定制。

储能装置的安全性也是一个大问题。就目前的电化学储能构成来看，锂离子电池（如磷酸铁锂电池）约占90%的份额，但锂离子电池的安全性是一个亟待解决的问题。在这样的背景下，钒电池快速步入储能方阵，说明了它在安全性方面具有一定的优势。这是因为钒电池的活性物质为钒离子的水溶液，并且在常温、常压下运行，因此不易发生燃烧和爆炸事故。

钒电池还具有其他方面的优势，如钒电池活性物质为液态，在充放电时发生的是均相反应，并且电极不参与化学反应，因此充放电循环寿命可超过1.5万次。

另外，钒电池选址自由度大，并且可以全自动封闭运行，维护简单，没有污染。当然，它也存在初装成本高、能量密度较低等劣势，并且需要完善相关配套技术。总的来说，钒电池有功率大、容量大、储能规模大、安全性高、寿命长、选址自由度大、绿色无污染等优点。

我国具有丰富的钒资源，钒储量居世界首位。大力发展钒电池，事关国家能源安全，发展清洁能源更需要大规模储能装置的保驾护航。发展“钒电池”的意义在于解决清洁能源的并网难题，并作为智能电网的重要组成部分，参与电网的“削峰填谷”以及改善供电质量等。

【责任编辑】谌 燕