稀土元素鑭及其應(yīng)用

1、稀土元素鑭及其應(yīng)用在稀土元素家族中，錮無(wú)疑是個(gè)非常重要的成員。論地位和名氣，他居于稀土 家族主體“鑭系元素”之首，作為 15 個(gè)元素的代表占據(jù)了化學(xué)元素周期表主表中的 一個(gè)空格，并以他的名字來(lái)命名這個(gè)元素族系。論地殼中豐度為32ppm,占稀土總豐度的 14.1%，僅次于鈰和釹，居第三位。從發(fā)現(xiàn)年代看，他也僅排在釔和鈰之后， 是第三個(gè)被發(fā)現(xiàn)的稀土元素。1839年，那位曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈰的瑞典化學(xué)家伯采利烏斯 JJ.Berzelius),有一個(gè)瑞典 學(xué)生名叫莫桑德(Carl Mosander)，在研究“鈰土”時(shí)，分離并發(fā)現(xiàn)其中還隱藏著一 種新元素， 于是莫桑德便借用希臘語(yǔ)中 “隱藏”一詞把這種元素取名為”

2、 鑭”。從此， 鑭便登上了被人類認(rèn)識(shí)和利用的歷史舞臺(tái)。鑭之所以被較早發(fā)現(xiàn)，與他在元素周期表中的位置，也就是原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密 切相關(guān)。他居鑭系元素之首， 4f 軌道上電子數(shù)為 0，與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)呈 正三價(jià)。鈧和釔雖然與他同在 IIIB 族，但不在一個(gè)周期，性質(zhì)懸殊。與他緊鄰的鈰 又能呈穩(wěn)定正四價(jià)狀態(tài)，也造成較大的化學(xué)性質(zhì)差異，易于分離。而他與錯(cuò)釹等其 他稀土元素之間又有鈰相隔，因此鑭比較容易同其他稀土分離并提純。稀土元素作為典型的金屬元素，其金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。在 17 個(gè)稀土元素當(dāng)中，按金屬的活潑次序排列，由鈧、釔到鑭遞增，又由鑭到镥遞減， 屬鑭最為活潑。因此作為金屬熱

3、還原工藝的還原劑，他可以用來(lái)還原制備其他稀土 金屬，而還原制備金屬鑭，則只能采用比他更為活潑的堿金屬和堿土金屬，通常采 用金屬鈣作還原劑?；钴S的化學(xué)活性和豐富的儲(chǔ)量，使鑭廣泛應(yīng)用于冶金、石油、玻璃、陶瓷、農(nóng) 業(yè)、紡織和皮革等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域。盡管生產(chǎn)鑭并不困難，但為了降低成本，在充分 發(fā)揮鑭及稀土共性的前提下，經(jīng)常以混合輕稀土或富鑭稀土的產(chǎn)品形式使用。稀土作為金屬材料的凈化和變質(zhì)劑，通常以混合稀土金屬或中間合金的形態(tài)來(lái) 使用。而鑭作為最活潑的一員，在去除氧、硫、磷等非金屬雜質(zhì)和鉛、錫等低熔點(diǎn) 金屬雜質(zhì)，以及細(xì)化晶粒等方面自然會(huì)發(fā)揮首當(dāng)其沖的作用。只是他經(jīng)常和鈰錯(cuò)釹 等輕稀土弟兄們一起協(xié)同作戰(zhàn)。當(dāng)然

4、，也能同其他金屬協(xié)同作戰(zhàn)，如在鉛中加入富 鑭稀土金屬 (0.01%o0.2%o)和鐵(0.005%o 0.1%o),可明顯提咼抗折拉性能，使 鉛板機(jī)械強(qiáng)度提高上百倍。不僅改善了鉛板防輻射性能，還擴(kuò)大了合金基材的應(yīng)用 范圍。以銀 -氧化鑭復(fù)合鍍層取代純銀作為電接觸材料，可節(jié)約用銀70%90%，有很大經(jīng)濟(jì)效益。20 世紀(jì) 80 年代，石泊裂化催化劑曾經(jīng)是稀土最大應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)橄⊥劣米?Y 型沸石催化劑，以鑭的催化活性最強(qiáng)。在美國(guó)一直采用富鑭稀土作為石油裂化催化劑，曾占美國(guó)稀土總消費(fèi)量的 40%以上。為了從原油中獲得更多的汽油、柴油等輕 質(zhì)油，必須在石油精煉加工中對(duì)重質(zhì)油采用催化裂化處理， 就需要使

5、用裂化催化劑。 稀土分子篩裂化催化劑比不含稀土的催化劑催化活性和熱穩(wěn)定性均有明顯提高，可 使輕質(zhì)油收率提高 4%，使催化劑壽命延長(zhǎng) 2 倍，煉油成本降低 20%，并使裂化裝置 生產(chǎn)能力提高 30%50%。但由于稀土的加入也造成輕質(zhì)油辛烷值降低， 而不得不加 入四乙基鉛作抗爆劑，進(jìn)而導(dǎo)致鉛污染。基于人類對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高，1985 年后超穩(wěn) Y 型分子篩逐步取代稀土分子篩， 使稀土用量大幅下降。但由于催化活性和選 擇性下降，造成汽油產(chǎn)量下降。為此，許多企業(yè)又采用含稀土0.5%2%的部分超穩(wěn)Y 型分子篩， 可兼顧催化活性、選擇性和辛烷值均比較理想，使富鑭稀土應(yīng)用又有 所回升。在我國(guó)，石油化工仍是富

6、鑭輕稀土主要消費(fèi)領(lǐng)域。光學(xué)玻璃中應(yīng)用鑭既是經(jīng)典用途，也是目前主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。鑭系光學(xué)玻璃 （含 La203 50% 70% ），具有高折射率（ nD=250） 和低色散（平均色散為 3500） 的優(yōu)良光學(xué)特性，可簡(jiǎn)化光學(xué)儀器鏡頭、消除球差、色差和像質(zhì)畸變，擴(kuò)大視場(chǎng)角， 提高鑒辨率和成像質(zhì)量，己廣泛用于航空攝像機(jī)、高檔相機(jī)、高檔望遠(yuǎn)鏡、高倍顯 微鏡、變焦鏡頭、廣角鏡頭和潛望鏡頭等方面，已成為光學(xué)精密儀器和設(shè)備不可缺 少的鏡頭材料。世界年需要量約為 4000 噸，并有上升趨勢(shì)。我國(guó)成都奧格光學(xué)玻璃 有限公司的產(chǎn)品已大量銷往國(guó)外。1970年發(fā)現(xiàn)的 LaNi5 合金是一種優(yōu)良的貯氫材料，每公斤可貯存

7、氫約 160 升， 可使高壓貯氫鋼瓶體積縮小到 1/4。利用其可以“呼吸”氫氣的特性，可以把純度為 99.999%的氫氣提純到 99.99999%，也可用作有機(jī)合成脫氫反應(yīng)的催化劑。利用其吸 氫放熱、呼氫吸熱的原理可以把熱量從低溫向高溫傳送，用來(lái)制作“熱泵”或“磁 冰箱”。目前這種貯氫材料的最大用途是用于稀土鎳氫電池的負(fù)極材料。稀土鎳氫電池 與鎳鎘電池在構(gòu)造、性能和規(guī)格上具有極大的相似性和取代性，但又不含隔、汞等 毒性大的元素，電池容量高，一致性好，使用溫度范圍廣，壽命長(zhǎng)（可反復(fù)充放電 500次以上），屬于環(huán)保型綠色電池。為了降低成本，這種貯氫合金多用富鑭混合金 屬（La>40%）為原料

8、。稀土鎳氫電池目前己廣泛用于手提電腦、便攜式辦公設(shè)備和 電動(dòng)工具等方面。最有發(fā)展前景的是用于汽車、摩托車的動(dòng)力電池。鑭在功能陶瓷材料中具有特別好的應(yīng)用前景，如在鈦酸鋇（ Bam Ti0 3）電容器 陶瓷中加入氧化鑭， 可明顯提高電容器的穩(wěn)定性和使用壽命， 加入 1%氧化鑭，可延 長(zhǎng)使用壽命 400500倍。鑭作為固體電解質(zhì)可用于固體氧化物燃料電池（ SOFC）， 一般采用 La0.85Sr0.15MnO3（LSM） 作多孔陰極材料，也有的采 用 La0.5Ca0.5CoO2 代替 LSM 作陰極。他們都具有良好的抗斷裂韌性、熱穩(wěn)定性和抗循環(huán)疲勞性。把鑭作為 主成分加入鋯鈦酸鉛（PZT）制備（P

9、b, La）（Zr，Ti）O3,即卩PLZT電光陶瓷， 可用于強(qiáng)核輻射護(hù)目鏡、光通訊調(diào)制器、全息記錄等方面。有實(shí)驗(yàn)證明， PLZT 還具 有形狀記憶效應(yīng)，性能甚至優(yōu)于鈦基形狀記憶合金。六硼化鑭（LaB6）是優(yōu)異的電子發(fā)射材料，具有高熔點(diǎn)（25000）、低蒸氣壓和低功函數(shù)，電子發(fā)射性能比鎢還 好，己廣泛用于電子顯微鏡、電視和陰極射線管用作電子槍。鉻酸鑭是新型電熱材 料，使用溫度高達(dá)18000，可用作空氣有氧環(huán)境的高溫電爐。硅酸鎵鑭單晶（La3Ga5SiOi4）是制作高穩(wěn)定、高頻、大帶寬、低插損、小體積 SAW濾波器的理 想材料。鈣鈦礦型錳基氧化物 La-Ca-Mn-O 材料具有巨磁電阻效應(yīng)（ CMR） ，這促進(jìn) 了一門新興學(xué)科自旋電子學(xué)的發(fā)展，并開(kāi)始在許多新型電子器件上得到應(yīng)用。澳氧化鑭（LaBrO ）對(duì)X射線有很強(qiáng)的吸收特性并能非常有效地將 X射線轉(zhuǎn)化 為可見(jiàn)光，用他制作醫(yī)用 X熒光增感屏，比傳統(tǒng)用的鎢酸鈣（CaWO4）增感屏大大提 高了成像清晰度，并減少 X 射線輻照劑量，尤其適用于腦部敏感部位和兒童、孕婦 的透視檢查。富鑭稀土無(wú)機(jī)和有機(jī)鹽應(yīng)該是農(nóng)用和飼料添加劑用稀土的理想材料。用于醫(yī)藥 也有廣闊前景。英國(guó)希雷（Shire）制藥集團(tuán)公司研制的新藥一磷酸鹽結(jié)合劑fosrenol主成份為碳酸鑭，可用于治療腎病患者透析時(shí)伴發(fā)的高磷血癥。 由于透