稀土催化材料

稀土元素的实际应用是从催化剂开始的，这也是人们将稀土称为“工业味精”或“工业维生素”的重要原因之一。1885年，C.A.V.Welsbach 率先将含有99％ThO2和CeO2的硝酸溶液浸渍在石棉上制成催化剂，用在汽灯罩制造工业中，开创了稀土在催化领域应用的先河。

所谓催化剂，又叫触媒，是可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能的路径来进行化学反应，而通常在这种能量下，分子或者无法自发完成化学反应，或者需要较长时间来完成化学反应。有了催化剂的介入，化学反应改变了进行途径，而新的反应途径需要的活化能较低，这就是催化作用可以提高化学反应速率的原因。催化作用是自然界普遍存在的重要现象，几乎遍及化学反应的各个领域，研究催化作用不仅具有重要的理论和实际意义，而且有助于揭示物质及其变化基本性质。

稀土元素可形成具有高的氧化能和高电荷的大离子，很容易获得和失去电子，促进化学反应。稀土氧化物的顺磁性、晶格氧的可转移性、阳离子可变价以及表面碱性等与许多催化作用有本质联系。因此，稀土催化材料具有较高的催化活性，几乎涉及所有的催化反应，无论是氧化还原型的，还是酸碱型的，均相的还是多相的。

相对传统催化材料，稀土催化材料具有催化活性高、比表面积大、稳定性好、选择性高、加工周期短的特点。稀土元素的催化活性不如与d型过渡元素的催化作用，但在大多数反应中，各个稀土元素的催化活性变化不大，不超过1～2倍，尤其是重稀土元素之间，几乎没有活性变化，而d型过渡元素之间的活性有时可相差几个数量级，存在着明显的选择差异。稀土元素的催化活性基本上可以分为两类：与4f轨道中的电子数（1～14）相对应呈单调变化，如加氢、脱氢、酮化学；与4f轨道中电子的排布（1～7，7～14）相对应呈周期变化，如氧化。与传统的贵金属催化剂相比，稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺以及性能等方面，都具有较强的优势。

现行工业催化剂中，稀土一般作为助催化剂或混合催化剂的一种活性成分。目前稀土催化剂在能源环境领域主要用于石油裂化、化学工业、汽车尾气净化、工业废气及人居环境净化、催化燃烧和燃料电池等几个方面。尤其在工业废气、人居环境净化方面，具有巨大的应用市场和发展潜力，成为研究和开发的热点。自20世纪90年代末以来，发达国家的环保催化剂市场一直以20％的速度增长。

我国在催化方面的稀土用量也比较大，国民环保意识逐渐增强，尤其是2008北京奥运会及2010年上海世博会成功申办后，稀土催化材料在环保方面，如汽车尾气净化、天然气催化燃烧、餐饮业油烟净化、工业废气净化及挥发性有机废气的消除等方面的需求和应用都有了大幅度的增长。

稀土催化材料的研究和应用，既可提高生产效率，又能节约资源和能源，减少环境污染，符合可持续发展的战略方向。目前能够在工业中获得应用的稀土催化材料主要有3类：分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、铈锆固溶体催化材料等。本章主要介绍已经在工业中应用的稀土催化剂及其催化原理。