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稀土催化剂应用小结 作为稀土资源大国，我国正从稀土原材料的开发向稀土推广应用转变，不再是靠出口稀土矿产获取利润。随着稀土限售政策的发布，更是带动稀土深加工方面的发展，接下来浅谈稀土在催化剂方面的应用。稀土元素具有特殊的电子结构，其内层的 4f 电子被外层的 5s及 5p 电子所屏蔽，在原子中定域。决定元素性质的最外层电子排布 4f 和 5d 形成导带，4f 电子的定域化和不完全填充使稀土具有独特的光学和磁学特性，这些性质使稀土在催化领域中得到广泛应用。目前稀土催化剂的应用包括以下几个方面：汽车尾气净化；工业废气和人居环境净化；催化燃烧；燃料电池；低值烷烃利用；石油化工等。一、稀土在汽车尾气净化中的研究与应用近几年来，我国汽车产业迅速发展，各地汽车尾气排放量已占大气污染源85左右，汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。CO、HC、NOx，这三者构成了汽车尾气对大气的主要污染成分，可导致酸雨和城市光化学烟雾，严重影响生态环境，危害人体健康。当前世界上控制汽车尾气排放的最有效的技术是电子控制燃油喷射系统加三效催化剂。其中以三效催化剂为核心，能同时催化净化汽车尾气中的 CO、HC 和 NOx三种有害气体，尽可能地降低尾气种有害气体的排放量。三效催化剂主要分为贵金属催化剂和稀土催化剂。由于贵金属资源短缺、价格昂贵，难以推广，稀土催化剂以其价格低、热稳定性好、活性较高、使用寿命长等特点备受青睐。稀土汽车尾气净化催化剂所用的稀土主要是以氧化铈、氧化镨和氧化镧的混合物为主， 其中氧化铈是关键成份。由于氧化铈的氧化还原特性，有效地控制排放尾气的组分，能在还原气氛中供氧，或在氧化气氛中耗氧。同时将稀土成分加入催化剂活性组分中，能提高催化剂的抗铅、硫中毒性能、耐高温稳定性，并能改善催化剂的空燃比工作特性。终述，稀土催化剂主要具有如下特性：1. 提高催化剂的热稳定性和机械强度 2. 提高催化剂的活性和储氧能力 3. 提高催化剂的抗中毒能力 4. 具有三效催化剂的效果二、稀土在工业废气和人居环境净化中的研究与应用目前利用稀土催化技术治理工业废气和人居环境净化的工作，主要集中在挥发性有机废气治理、烟气脱硫脱氮、光催化空气净化和焦化污水催化净化等方面。1.对挥发性有机废气（VOCS）方面：研究表明，等离子-光催化净化技术在治理空气污染物方面具有较好的性能，比单一的等离子体技术或光催化技术都有明显的提高，是传统的空气净化技术无法比拟的。2.烟气脱硫脱氮方面：NOx和SO2主要来源于钢铁、火力发电、燃煤锅炉等排出的废气和汽车尾气，形成酸雨和光化学烟雾。稀土催化材料在烟气脱硫脱氮中显现出独特的吸收和催化性能。含铈铝酸镁尖晶石，可以有效同时控制烟道气中的NOx和SO2的排放量但须处理反应放出的H2S。目前，联合脱硫脱氮技术是燃气治理技术的发展方向之一。3. 焦化污水催化净化方面：焦化废水主要来自炼焦和煤气净化过程及化工产品精制过程，是成分复杂、多变、毒性大且难处理的工业污水。催化湿式氧化是处理它的现代净化技术，即污水在高温高压下，保持液态通入空气，采用中国研制的新型高效双组份催化剂（贵金属与稀土元素），对污水进行彻底氧化分解，转化为无害物质。4. 光催化空气净化方面：空气净化主要涉及在室温条件下的光催化氧化和室温催化氧化技术的耦合。TiO2被认为是最有前景的光催化剂。但是TiO2对可见光响应低,只能利用部分太阳光,催化活性不够高。稀土元素具有丰富的能级,特殊的4f电子跃迁特性和光学性质,能够以离子掺杂或半导体复合的形式有效提升传统TiO2光催化剂的性能,并能构造出多种新型的光催化剂体系。光催化因能在室温下反应且可利用太阳光作为反应光源,并且反应无二次污染等独特性能而在环境污染的治理和洁净能源的生产中显示出较大的应用潜力。三、稀土在催化燃烧中的研究与应用催化燃烧是燃料在催化剂表面进行的完全氧化反应。在催化燃烧反应过程中，反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放出能量；反应完全进行的同时，通过催化剂的选择性来有效地抑制生成有毒有害物质的副反应发生，基本上不产生或很少产生NOx、CO和HC等污染物。传统的燃烧方式燃烧温度高，超过1500，在这个温度下燃烧很容易产生NOx，增加全球温室效应。另外，燃烧效率低，噪音高，且一些廉价燃料不能广泛应用。利用催化燃烧技术可改变燃烧方式，提高燃烧效率，降低燃烧温度，减少NOx的形成，且燃烧过程中噪音低，廉价燃料也可大量应用，具有高效节能、环境友好等优点。催化燃烧技术可提高热效率64%，燃烧效率可达99.5%，节能效果达15%以上。稀土催化剂有稀土、碱土取代的钙钛矿型氧化物、六铝酸盐等催化剂，实验结果表明，稀土燃烧催化剂具有较高的热稳定性，但起燃活性相对较差。四、稀土在燃料电池中的研究与应用燃料电池能量转化效率高，污染物超低或零排放，是21世纪高效、低污染的绿色能源。稀土氧化物具有良好的离子和电子导电性，对改善固体氧化物燃料电池的性能有着无法取代的作用。通过选择合适的氧化物组成，可提高电极材料的离子导电率，降低氧还原的活化能。稀土在固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等都有重要的应用。稀土在SOFC中的研究开发主要集中在以下几个方面：阴极材料的开发，阳极材料的开发，双极连接板材料，但更多的是应用在电解质材料上。五、稀土在低碳烷烃利用中的研究与应用低碳烷烃液化取代部分石油资源的关键之一是廉价合成气的制备，以降低液化产品成本。在合成气制备过程中，稀土添加剂能起到良好的抗Ni晶粒烧结作用和抑制积炭作用。低碳烷烃除了制备合成气的利用途径外，通过脱氢制烯烃是一条有效的利用途径。脱氢催化剂的致命弱点是易积炭失活、寿命短，催化剂每几分钟或十几分钟就要再生一次，烷烃的转化率不高。在催化剂中引入稀土后，在两小时内可保持活性和选择性，经反复再生几十次后，其性能基本如初。且催化剂的性能也有明显的改观，丙烷的转化率大于50%，丙烯选择性大于90%，这是目前报道的最好的催化剂。六、稀土在石油化工中的研究与应用1.在石油炼制方面：由于我国的原油偏重，用蒸馏的方法只能得到约30的轻质油。剩下的重质油可通过二次加工，进一步获得汽油和柴油等轻质油品。催化裂化是我国重油轻质化的重要二次加工手段，我国70以上的汽油和30以上的柴油均来自催化裂化。催化裂化是烃类分子在酸性固体催化剂存在下进行催化反应的过程。稀土在裂化催化剂中有很多作用。首先，稀土作为助催化材料可增强沸石催化剂活性和热稳定性。其次，催化剂用久失活后须经过高温水热处理而再生，以烧掉占据沸石有效孔隙中越积越多的碳，稀土具有较好的水热稳定性能，对此过程有重要作用。另外运用稀土沸石催化剂进行石油催化裂化，具有原油处理量大、轻质油收率高、质量好、活性高、 生焦率低、催化剂损耗低、选择性好等诸多优点。也有将重油和废塑料混合裂解的方法，取得较高的裂解率。2.在生物柴油方面：随着世界经济的发展，化石燃料已经不能满足世界经济发展的需要。据专家估测，未来的80-100年间，原油资源将会逐渐枯竭。以天然油脂、废弃动物油、地沟油为原料生产的生物柴油，作为一种可再生的清洁能源，可以作为柴油的替代品。生物柴油是以可再生资源如植物油、动物脂肪等为原料，通过化学、物理、生物等技术手段而制成的，在使用中可部分或全部替代柴油的一种燃料。从能源作物制取生物柴油不仅可以缓解石油供给不足，还可以保护生态环境，具有长远的发展意义。稀土氧化物(La2O3、Sm2O3、Y2O3和Eu2O3等)为载体，通过浸渍法负载上不同含量的KF来作为酯交换反应的催化剂。常压下，在醇/油摩尔比为12:1、催化剂用量为油质量的3%、反应温度为338K、反应时间为1h的条件下，15%KF/La2O3催化剂催化菜籽油酯交换反应的转化率可达到94.3%，15%KF/sm2o3催化剂催化菜籽油酯交换反应的转化率可达到95.1%，15%KF/Eu203催化剂催化菜籽油酯交换反应的转化率可达到91.2%。3.在塑料化工方面：塑料工业是重要的基础原材料工业，稀土化合物在塑料工业中主要被用作塑料助剂，并已在塑料加工中表现出良好的性能。塑料助剂不仅能显著地改善塑料的加工性能和使用性能，而且可以降低其生产成本、降低能耗、提高生产效率。目前稀土在塑料中主要作为稀土无毒热稳定剂、稀土改性剂、稀土光致发光剂、稀土磁性剂等。4.在合成橡胶方面：工业合成橡胶是以石油为原料发展起来的新兴石油化学工业。稀土催化剂可以把石油提炼工业中的副产品，如乙烯、丙烯、丁烯和芳香烃等迅速聚合成各种性能的橡胶，并达到同天然橡胶相同的性能。我国在稀土催化合成橡胶方面的研究工作起步较早，不仅将稀土催化剂应用于丁二烯定向聚合，也首次公开报道了稀土催化剂定向聚合异戊二烯。七、其他城市生活垃圾总量迅速增多，对环境构成极大的威胁。但垃圾中含有大量制氢资源，具备热解制氢的可能性。在稀土催化条件下，使得垃圾热解产物进一步催化重整从而提高实验产气量和气态产品的产氢率以达到资源回用，循环经济的目的。同时也可以利用城市垃圾生产沼气，采用稀土催化剂，在一定的条件下可以获得更高的产气率。在合成氨工业中采用稀土催化剂可以将反应过程中的一氧化碳和副产物二氧化碳迅速转化为甲烷；生产过程中，用少量的硝酸稀土为助催化剂，其处理气量比镍铝催化剂大1.5倍。氢能可能成为21世纪最理想的能源，开发优良的半导体光催化剂是半导体光催化制氢技术的核心。稀土掺杂使光催化制氢活性得到提高，La、Eu、Gd和Er掺杂后CdS-Pd/TiO2可见光分解水制氢活性分别提高了62.1%、40.4%、30.0%和34.7%。掺入稀土后，在TiO2晶体中产生晶格缺陷，引起晶格畸变，使TiO2费米能级升高，导致TiO2导带的平带电位负移，从而有利于光催化制氢活性的提高。炼油碱渣是石油炼制工业进行油品碱洗精制时产生的废碱液，含有酚类物质和有机硫化物等大量有毒有机物，生物降解性差，常规处理效果不理想，给环境造成严重污