中國粉體網(wǎng)訊 中國粉體網(wǎng)小編從澎湃新聞獲悉，“稀土催化研究院簽約暨揭牌儀式”于8月9日在山東東營成功舉行。
據(jù)官方披露的信息，“稀土催化研究院”是在國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會指導(dǎo)下，由天津大學(xué)牽頭、聯(lián)合行業(yè)內(nèi)主要領(lǐng)軍企業(yè)籌建成立的國家級研究機構(gòu)，旨在圍繞國家戰(zhàn)略需求，結(jié)合國家重點新材料研發(fā)及應(yīng)用重大項目，構(gòu)建學(xué)術(shù)鏈、創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈融合新型研發(fā)創(chuàng)新體系，解決稀土催化材料技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用中的“卡脖子”問題，打破國外的專利壟斷和技術(shù)封鎖，占領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)技術(shù)制高點，為實施科技強國戰(zhàn)略做支撐。據(jù)悉，稀土催化研究院將在移動源尾氣凈化、固定源廢氣治理、新能源催化等方面重點布局，實行國家+行業(yè)+企業(yè)的運營模式。
圖：凌文副省長與干勇院士共同為“稀土催化研究院”揭牌。（來源：國瓷材料）
稀土材料作為一類同時具有電、磁、光及生物化學(xué)等多種特性的環(huán)境友好型功能材料，在解決環(huán)境問題上發(fā)揮著不可替代的作用。由于稀土元素具有豐富的能級和特殊的4f外電子層結(jié)構(gòu)，且稀土氧化物的晶格氧有可移動性、陽離子有可變價性、表面呈弱堿性，這些特點都使得稀土尤其是稀土氧化物在氣相催化中表現(xiàn)出優(yōu)異特性。稀土氧化物，尤其是含有4f軌道上電子較少的鑭、鈰等輕稀土元素的氧化物被廣泛應(yīng)用于催化領(lǐng)域，在廢氣治理、環(huán)境凈化方面具有巨大應(yīng)用市場和發(fā)展?jié)摿Α?br/>
1 稀土在移動源尾氣凈化中的應(yīng)用
2017年，全國機動車保有量達到3.10億輛，4項污染物排放總量初步核算為4359.7萬噸。其中，汽油車的CO和HC排放量較高，CO超過汽車排放總量的80%，HC超過70%；柴油車排放的NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%；占汽車保有量7.8%的柴油貨車，排放了57.3%的NOx和77.8%的PM。機動車污染防治的緊迫性日益凸顯。
1）用于汽油車尾氣凈化的稀土催化材料
三效催化凈化(TWC)技術(shù)是目前全世界普遍采用的汽油車排氣后處理技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，以堇青石蜂窩陶瓷為載體、活性氧化鋁為涂層的貴金屬三效催化劑已經(jīng)發(fā)展成熟。它能夠同時去除HC、NOx和CO這3種主要的汽車尾氣污染物。為了達到最好的催化效果，其中的氣體必須在合理的化學(xué)氧化/還原計量比范圍內(nèi)，因此由Ce，La，Pr，Nd等輕稀土的氧化物組成的催化助劑和儲氧材料發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它一方面是穩(wěn)定貴金屬活性組分的載體，另一方面可以在短時間內(nèi)對氧的波動進行補償，達到調(diào)整催化反應(yīng)氧化/還原比的效果。
目前，CeO2-ZrO2復(fù)合氧化物已經(jīng)發(fā)展為主流的儲氧材料，廣泛應(yīng)用于三效催化材料中，且短期內(nèi)無法替代。據(jù)統(tǒng)計，我國每年僅用于汽車尾氣凈化的CeO2-ZrO2復(fù)合氧化物年需求量就高達4000 t。隨著汽車產(chǎn)量持續(xù)維持高位，以CeO2-ZrO2復(fù)合氧化物為代表的稀土催化材料需求量也必然居高不下。
2）用于柴油車尾氣凈化的稀土催化材料
目前，國內(nèi)外針對柴油車尾氣去除氮氧化物的催化技術(shù)主要是氨類選擇催化還原技術(shù)(NH3-SCＲ)。在催化劑的作用下，NH3優(yōu)先和NOx發(fā)生還原脫除反應(yīng)，生成氮氣和水，從而減少NOx的排放。傳統(tǒng)的SCＲ材料是釩基催化材料。柴油車尾氣由于呈現(xiàn)溫度變化范圍大(100～500℃)、尾氣成分波動大、水蒸氣含量高的特點，中高溫活性好(300～500℃)的釩基催化材料幾乎無法滿足需求。而且釩還具有高毒性、高溫下易揮發(fā)、高溫熱穩(wěn)定性差且高溫NH3過氧化容易生成N2O等缺點。目前在研究領(lǐng)域中開發(fā)的非釩SCＲ催化劑主要包括分子篩催化劑和金屬氧化物催化劑兩類。
金屬氧化物催化劑主要包括Fe基、Ce基、Cu基和Mn基催化劑等。由于稀土氧化物特別是氧化鈰應(yīng)用在NH3-SCＲ催化劑中具有提高催化劑的低溫活性、耐堿性和水熱穩(wěn)定性等改性效果，在近年逐漸成為NH3-SCＲ領(lǐng)域研究的熱點。
2 稀土在固定源廢氣治理中的應(yīng)用
1）用于工業(yè)煙氣脫硝的稀土催化材料
固定源的NOx排放主要來自于熱電廠、水泥廠、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠及其他類型工業(yè)設(shè)施。V2O5-WO3/TiO2(簡稱VWTi)是我國目前工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的固定源脫硝催化材料。由于V具有生物毒性，對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，美國、歐洲、日本等國已經(jīng)對其禁止使用，因此非釩基脫硝催化材料將是未來發(fā)展的主流。但固定源煙氣中含有大量的堿金屬(Ca，K等)等雜質(zhì)，導(dǎo)致以Cu，Mn等為活性中心的SCＲ篩催化材料迅速失活。所以截止目前，這兩類非釩催化材料在固定源脫硝領(lǐng)域的應(yīng)用仍然有限。相對而言，稀土氧化物尤其是氧化鈰基脫硝催化劑具有高效、無毒、無二次污染性等特點，可替代高毒的釩鈦系，實現(xiàn)環(huán)境友好。
目前，國內(nèi)第一套稀土脫硝催化劑標準已經(jīng)制定出臺(《稀土型選擇性催化還原(SCＲ)脫硝催化劑》GBT34700－2017)。以山東天璨環(huán)�？萍脊煞萦邢薰緸榇淼钠髽I(yè)也將稀土基脫硝催化劑應(yīng)用于國內(nèi)部分火電廠和工業(yè)鍋爐。2017年之后，火電行業(yè)原有的釩鈦脫硝催化劑逐漸進入失效期，需逐步開始換裝，加之火電行業(yè)新增運能對脫硝催化劑的需求增加，若以稀土脫硝催化劑代替釩鈦脫硝催化劑，每年需用4～5萬噸CeO2。這為稀土脫硝催化劑的應(yīng)用帶來了機遇，同時也為氧化鈰在大氣污染治理的高附加值應(yīng)用開拓了市場。
2）用于揮發(fā)性有機污染物去除的稀土催化材料
揮發(fā)性有機化合物(VOCs)是指大氣中除單質(zhì)碳、甲烷、CO和CO2之外的含碳化合物，交通、工業(yè)和民用是其三大主要來源。VOCs對環(huán)境以及人體健康的危害已引起社會公眾的普遍關(guān)注，針對該污染物的催化凈化技術(shù)是近年來大氣污染物治理最為活躍的領(lǐng)域之一。常用的VOCs處理方法包括吸附、直接燃燒、光催化和催化燃燒法等。但從經(jīng)濟角度看，催化方法由于其能耗低和副產(chǎn)物無毒等特點而受到更多重視。利用稀土材料改善催化燃燒的效果，可以降低燃燒溫度、提高燃燒效率、減少NOx和不完全燃燒產(chǎn)物的形成，具有高效節(jié)能、環(huán)境友好等優(yōu)點。
3 稀土催化材料在天然氣催化燃燒中的應(yīng)用
催化燃燒是一項高效、環(huán)保、節(jié)能、運行安全的能源優(yōu)質(zhì)利用高新技術(shù)。與普通火焰燃燒相比，催化燃燒具有燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定、污染物〔一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和HC〕等超低排放等優(yōu)點。中國天然氣資源豐富，我國陸上和近海115個盆地的天然氣遠景資源量為56萬億m3，天然氣可采資源量為22萬億m3左右，主要分布在西北、西南和近海地區(qū)。天然氣在國家能源結(jié)構(gòu)中所占比例逐年增加。發(fā)展與開發(fā)國際先進的高溫稀土催化燃燒材料與技術(shù)，提高天然氣能源高效利用，改變傳統(tǒng)的燃燒方式符合中國國情和發(fā)展道路。隨著世界能源消耗不斷增長和環(huán)境標準更加嚴格，開發(fā)節(jié)能、環(huán)保、高效的新型能源材料和尾氣處理材料是未來的發(fā)展方向。
小結(jié)：
盡管我國稀土資源豐富，但目前處于大而不強的地位，促進稀土材料產(chǎn)品的高質(zhì)、高效應(yīng)用仍是稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要出路。從這個意義上說，深化稀土催化材料在環(huán)境治理方面的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，既可減少環(huán)境污染，又能高效利用我國高豐度的輕稀土資源。
資料來源：
翁端等：鈰基稀土催化材料在大氣污染治理中的研究進展.清華大學(xué).中國材料進展
崔梅生等：稀土催化材料及其應(yīng)用.北京有色金屬研究總院有研稀土新材料股份有限公司.新材料產(chǎn)業(yè)
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