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国家重大基础研究项目结束，大面积应用时期开始

为期４年的国家自然科学基金重大项目"稀土农用的环境化学行为及生态、毒理效应"基础研究项目已于2002年９月通过验收。项目以我国稀土农用技术为背景，分环境化学行为、对农田生态系统的影响、低剂量长期作用毒理及生物无机化学效应基础等四个课题开展了多学科、综合性、跨部门的交叉研究，内容涉及我国稀土农用技术开发时期提出的稀土土壤学、植物生理学、稀土农用效果、稀土毒理卫生学和超微量分析检测等各学科领域，并从基础研究的深度回答了一些长期没有解决的重大问题，是我国稀土农用基础理论研究的一次重大突破。受部门和业界关注的这项研究进一步肯定了稀土农用技术的可行性，并为今后的发展奠定了坚实的基础。

这一课题设置背景是在稀土农用技术曲折发展的26年后，在部门、社会上和学术界仍然存在疑虑和"以人为本"提出深层次重大理论问题后安排的全面、系统、尽可能涉及可能出现问题的多学科领域的研究内容。舆论界认为以此可以作为稀土农用技术的进步标准。

重大基础研究项目多学科反复肯定稀土元素剂量与生物效应的依赖关系，证明稀土元素具有生理活性，是一组对植物生长起调节作用的有益元素。菠菜、水稻、玉米的水培和盆栽试验表明，稀土对生长过程的生理生化指标、生长量和经济产量均表现"低促高抑"规律，这一规律是遵循相同规律的稀土微生物效应、土壤呼吸作用、土壤化学反应等地下部分的稀土效应的综合效应。研究肯定稀土对植物吸收氮、磷的促进作用，肯定有改善品质和增加抗逆性作用，还具有清除超氧氢离子作用和抗重金属汞和铅的胁迫作用。此项研究在稀土土壤学和稀土植物生理学理论研究上有重大突破，确定了稀土在土壤中的形态转化及与生物有效性的关系。研究了传导过程和归宿，肯定了稀土进入土壤后99％被固定而迁移困难，推荐植物分泌的低分子有机酸提取稀土元素预测生物可给性的方法。根系吸收稀土元素过程分为细胞壁吸附的快速过程和跨膜吸收的慢速过程。植物体中稀土元素以性质不同的生物分子化合物存在，水稻苗中与分子量10000～12000的蛋白质结合，玉米根中与蛋白质结合的分子量分别由690000与20000两个条带组成。高含稀土铁芒萁叶绿素a相结合。研究建立了稀土动物体跨细胞膜输运、与细胞结合方式和生物效应等理论。在基础研究的基础上确定了几项指导性的环境、生态和毒理剂量界限。17年定位试验表明，稀土在小麦籽粒和土壤中没有任何累积效应。由于其在土壤中固定快、移动性慢，推算正常使用100年污染地下水的可能性不大。连续使用500次，对土壤理化性质及肥力供应不会造成显著影响。一次施用量为目前用量300-500倍时可观察干扰土壤微生物群落的演变和功能。研究确定动物最低毒作用剂量为2mg/kg[RE（NO3）3]，比早期的60mg/kg低30倍，为国家制定新的稀土允许摄入剂量标准提供了科学依据。按新结果推算，每人每天允许摄入120mg，实际每人每天的自然摄入量为2mg左右。总之，决定稀土农用技术前途和命运的国家自然科学基金项目从基础理论研究视角继续肯定在开发应用时期的研究成果，在稀土土壤学、植物生理学和生理卫生学领域又有了突破意义的进展，并为施用限制量提出了定量标准。这项研究为稀土农用技术的推广应用奠定了理论基础，是稀土农用技术发展史中的一件大事，预示一个新的大面积应用时期的开始。

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六、稀土在玻璃陶瓷工业中的应用

我国玻璃与陶瓷工业中的稀土应用量自1988年以来平均以25％的速度递增，1998年已达约1600吨，稀土玻璃陶瓷既是工业和生活的传统基础材料，又是高科技领域的主要成员。从全球稀土消费来看，玻璃陶瓷占25.6％，1999年我国仅占10％，因此我国稀土在玻璃与陶瓷中的应用发展的空间很大。2003年我国在玻璃陶瓷领域应用增长了1倍，稀土应用量在6000吨以上，占国内稀土应用总量的20.3％。

1 稀土玻璃及抛光材料

玻璃的制造约有五千多年的历史，光学玻璃的生产也有近二百年的历史，但是稀土元素应用于玻璃制造却只是近百年的事。19世纪末开始用氧化铈作玻璃脱色剂，20世纪20年代开始研究稀土硼酸盐玻璃，30年代制造了具有高折射率低色散的含镧光学玻璃。

玻璃陶瓷工业是稀土应用的一个重要的传统领域，在国外约占稀土总消费量的33％。稀土在玻璃工业中被用作澄清剂、添加剂、脱色剂、着色剂和抛光粉，起着其他元素不可替代的作用。利用一些稀土元素的高折射、低色散性能特点，可生产光学玻璃，用于制造高级照相机、摄像机、望远镜等高级光学仪器的镜头；利用一些稀土元素的防辐射特性，可生产防辐射玻璃。利用稀土元素生产的多种陶瓷颜料具有价廉、颜色纯正、艳丽和耐高的特点，正受到用户的青睐。

激光玻璃

钕玻璃是目前激光输出脉冲能量最大，输出功率最高的激光玻璃，其大型激光器用于热核聚变等。双掺Nd3±Yb3＋激光玻璃是通过Nd3＋对Yb3＋敏化，使Yb3＋在室下获1.06μm激光，能级简单，储能效率高，荧光寿命长（是钕玻璃的3倍），二阶非线性系数低，在970nm附近有一强吸收峰，可直接用LnGaAs半导体激光器泵浦，热稳定性较好，有确定受激发射截面，吸收带较宽，掺杂浓度高等，用于光通讯、高能激光武器（可摧毁导弹、卫星、飞机等大型目标）。掺铒磷酸盐激光玻璃能实现1.5μm低阈值激光，在大气中传输能力强。掺钬的氟锆酸玻璃在543nm波长上连续激光运转；该玻璃中掺入一定量的镱可使Yb3＋吸收的能量转移到Ho3＋上，在激光器的小型化改进等方面很有前途。

智能玻璃

光致变色玻璃是能在光的激发下发生变色反应的玻璃，它是能自行调节透光性能，可作眼镜、高级汽车档风玻璃、窗玻璃、全息照像材料、制作文字、图像贮存光记忆显示、可擦光调制元件等。光敏微晶玻璃利用感光化学腐蚀方法可以使该种玻璃形成各种复杂的图案，在印刷、电路板、射流元件、电荷存储管、光电信增管荧光屏等方面有广泛应用。在玻璃中掺入Nd、Er、Dy、Tb、Ho、Ce、Eu、Yb及Pr等稀土元素的光学纤维具有度敏感特性，可用于分布式传感器、光纤激光器和超亮度光源的有源增益介质及其他非线性器件。

长余辉发光玻璃

长余辉发光玻璃利用太阳光、日光灯或白炽灯等光源经短时间照射后，储存能量，在黑暗处发出可见光，发光亮度高，主激发波长位于320nm和360nm处，主发射波长位于520nm，发光时间在人眼视觉可见亮度水平（0.32mcd/m2）上，可持续达8h以上，从而利用太阳能，实现人们"不夜城"的梦想。将印有文字、图像等信息的纸张等放在该透明玻璃上，随后用短波紫外线等高能电磁波照射，玻璃就自动记忆纸张等上信息，当在暗背景中，受到日光等长光波源照射，原存储在该玻璃上的信息（文字、图像等）再现出来。

稀土旋光玻璃

在以铝钡硼硅酸盐为基础的玻璃中加入20％～30％CeO2、Eu2O3、Tb4O7、Dy2O3等可制得法拉弟磁光玻璃。调整玻璃组成可进一步制得顺磁性和反磁性玻璃。在玻璃中加入Er2O3和Dy2O3、Tb4O7使玻璃有高的费尔德常数。我国西安光机所研制的该玻璃在632.8纳米和室下费尔德常数可达0.38分贝/奥斯特·厘米，比日本FR-5还高出52％。该玻璃可做各种磁光功能器，可拉制磁光保偏光纤（可提高光纤通讯质量、信息处理、激光技术及电力工业实现自动测量，如磁光电流互感器），在大功率激光核聚变装置中用于制作隔离反向激光的隔离器，用作全息光弹仪、环形激光磁力仪、光通讯系统的光隔离器等。

镧系光学玻璃

镧系光学玻璃具有高折射率、低色散度，可简化光学仪器镜头、消除球差、色差和像质畸变，扩大视场角，提高成像质量；广泛用于航空摄像机、高档相机、高档望远镜、高倍显微镜、复印机、扫描仪、变焦镜头、广角镜头等。日本、法国等近来开始将其国内、国际市场的2/3让给中国，他们说"21世纪光电材料是中国的世纪"，从1999年7月仅成都光明器材厂就接到国外订单225吨（以前我国出口为零）。现仅就目前世界镧玻璃为例，每年需要量约为4000吨，并有上升趋势，每吨镧玻璃需用氧化镧50％～70％，即镧玻璃每年至少用氧化镧2000吨，每吨氧化镧（99.95％）最高价为6万元/吨（2002年8月氧化镧99％～99.9％1.7～2.1万元/吨），镧玻璃平均售价20万元/吨，每年至少上缴利税亿元以上；同时可持续解决国内稀土中镧过剩的难题。成都奥格光学玻璃有限公司的成品率达90％以上，主要销往国外。

耐辐射玻璃

在玻璃中加入一定氧化铈能提高玻璃被辐照作用的稳定性。成都光明器材厂根据国家核能技术的发展需要，研究和生产该玻璃已有70多个产品，其中500号53个、600号13个、700号4个、800号2个，满足了原子能工业、宇航工业、核电等行业的需求。

稀土颜色玻璃和特种眼镜玻璃

稀土离子由于4f层内电子的迁移，除La3＋、Gd3＋、Y3＋、Lu3＋电子难以激发而呈无色外，其他稀土离子都有不同程度吸收380～780nm光谱特性，并呈现各自特征的颜色，单独或配合使用能使玻璃呈各种色彩，可做装饰品、仪器和照相镜头滤光片、信号灯、特种眼镜（UC片、克斯、克赛、抗疲劳、激光防护、超薄镜片等）。

全色变色玻璃

全色变色玻璃色彩的变化和明度随处理的度、时间不同而改变。

?红外玻璃

红外玻璃用于红外摄影、夜战等。

稀土光纤玻璃

稀土光纤玻璃用于通信、夜视器件、光纤放大器，在数据储存、打印显示、医学等领域开始应用。

稀土抛光粉

稀土抛光粉主要应用于电视玻壳、阴极射线管、显示屏、玻璃光学仪器、集成线路板、眼镜片、光掩膜的抛光，它的最大传统市场是彩电阴极射线管。近年来，随着液晶平面显示技术、电子光学工业的不断发展，高性能稀土抛光粉在液晶显示屏、平面直角大屏幕彩电等平面显示产品、计算机、文字处理器以及汽车导航系统、光掩膜、汽车工业等方面得到了广泛应用，尤其欧美、日本、韩国等发达国家和地区对用于液晶显示屏、大屏幕高清晰度彩电、光掩膜的高性能稀土抛光粉需求增加。虽然市场对抛光粉的需求量不断增加，但是需求方向却在发生着重大变化，对产品要求质量更高，均一性更好，性能更佳，国内传统工艺生产的抛光粉质量已不能满足要求。因此，发挥我国稀土资源优势，采用先进的工艺及设备对生产线进行技术改造，对引领我国抛光粉等稀土产品在高科技领域的发展，改变稀土资源大国长期大量进口高品质稀土产品的被动局面具有重要的战略意义。稀土抛光粉是稀土类产品中的重要延伸产品之一，开发利用的历史长、性能好，应用广泛，前景看好。20世纪50年代，我国就开始研制稀土抛光粉，并有小量生产。60年代末，稀土抛光粉开始走向工业化生产。

1990年以来，由于国内外市场对稀土抛光粉需求的不断增加，推动了我国稀土抛光粉产业，在生产能力、产量、生产技术、市场开发等方面取得了较大的发展。特别是1997年，包钢（集团）公司与日本清美化学株式会社、日本三菱商事株式会社3家共同投资组建了包头天骄清美稀土抛光粉有限公司后，我国稀土抛光粉的生产能力及产量有了较大的提高，目前我国稀土抛光粉的生产企业有30多家，上千吨规模的企业有4家。2003年我国稀土抛光粉的生产能力为8000吨，是1995年700吨的10.7倍，是1990年400吨的20倍，2003年的实际产量为4800吨，较1995年的670吨增长6.2倍，较1990年的232吨增长19.7倍。目前，我国可以生产高中低三大类别14个品种、24种规格的铈基系列抛光粉。目前我国稀土抛光粉生产能力和产量均居世界首位。1995～2003年我国稀土抛光粉的生产情况列于下表。

表 1995～2003年我国稀土抛光粉的生产情况（吨，％）

年份

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

产能

700

800

1800

2000

2500

4000

5000

6500

8000

产量

670

700

750

780

1800

2400

3200

4000

4800

年增长率

－

4.5

7.1

4.0

130.8

33.3

33.3

25.0

20.0

由上表可见，由于主要各种光学玻璃器件、电视机显象管、光学镜片、示波管、平板玻璃、半导晶片和金属精密仪器以及水晶谐振子、光盘、高级光学玻璃产量的增加，稀土抛光粉应用的日益普及，我国稀土抛光粉的产能和产量都在不断扩大。2003年我国稀土抛光粉消费量约为3500吨，世界稀土抛光粉的用量已达1.5万吨，预测2005年全球稀土抛光粉的用量将达到2万吨。随着我国电子信息产业的迅速发展，我国必将成为世界稀土抛光粉的生产、出口及消费大国。目前，包头天骄清美稀土抛光粉有限公司生产能力已达2200吨，该公司新建一条年产820吨的TE-500稀土抛光粉生产线也已竣工投产。中国稀土控股有限公司年产500吨高质量稀土抛光粉生产线2003年12月已开始试车。面对市场的变化，甘肃稀土集团利用自身的稀土生产规模优势和多年生产抛光粉的技术和经验，在我国第一条稀土抛光粉生产线现有技术及工艺基础上，引进国外先进设备，并吸纳日本、韩国、澳大利亚三国抛光粉生产线优点及优势技术，成功研制并建成设备水平较高的高性能稀土抛光粉生产线，使公司新老（300吨/年）系统形成了1500吨/年稀土抛光粉的生产能力，已在2003年下半年正式进入批量生产阶段，产品主要用于液晶显示屏、大屏幕高清晰度彩电的阴极射线管、光掩膜等的抛光。目前，我国稀土抛光粉的生产企业有20多家，年生产能力在1000吨规模以上的有4家，500～1000吨之间有5家，100～500吨之间的有10余家，实际产量超过百吨的有10多家。

2 稀土陶瓷

陶瓷是我国历史悠久的科技文化产品之一，在国际上"瓷器"、"China（中国）"成为同义词。稀土在陶瓷材料中的应用，以其在陶瓷色料中的应用最早（仰韶文化时期发展了彩陶）。

纳米陶瓷

纳米陶瓷虽然还有许多关键技术需要解决，但是在显微结构中，晶粒、晶界及其结合都处于纳米级水平，晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，使其室和高力学性能、抗弯强度、断裂韧性等大幅度提高，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面都有广泛用途；并在超高、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用；还对陶瓷的电学、热学、磁学、光学性能产生重要影响，为陶瓷的利用开拓了一个崭新领域。

超塑性陶瓷

上海硅酸盐研究所对细晶Y-TZP陶瓷的超塑性研究表明，当晶粒尺寸为300nm，度在1400℃下，起始应变速率为1×10-2·S-1，压缩应变达350％；当晶粒尺寸减小到150nm，度在1250℃下，起始应变速率为3×10-2·S-1，压缩应变达380％。使陶瓷如同金属一样，可用锻压、挤压、拉伸、弯曲和气压膨胀等成型方法直接制成精密尺寸的陶瓷零件。超塑性陶瓷可分为相变超塑性陶瓷与结构超塑性陶瓷。

智能化陶瓷

陶瓷较易实现智能化，在提出智能材料概念以前，部分陶瓷已趋智能化，如多功能陶瓷，既能传感磁性、度和气体，又象介电元件那样具有执行功能；陶瓷已能像生命物质如人的五官那样，感知客观世界，又能对外作功，发射声波、辐射电磁波或热能，促进化学反应和改变颜色等对外作出类似有生命物质的智慧反应。在提出智能材料之后，随即采用集成法，把陶瓷感知的讯号，通过电学处理，反馈给陶瓷器件，再利用陶瓷固有的特殊功能对外作出反应。在已发展的传感器和驱动器中，陶瓷材料占有很大一部分：如压电、电声、光电、热电、磁热、电致或磁致伸缩、相变、生物、热电陶瓷等。

超硬陶瓷

陶瓷有日用陶瓷、建筑陶瓷、装饰陶瓷和结构陶瓷等，按结构陶瓷的性能可分为超硬、高强、高陶瓷。

陶瓷具有比一般材料高得多的硬度，超硬陶瓷是指金刚石和氮化硼，或两者的复合体，此外，烧结碳化物的金属陶瓷如WC、TiC等作为超硬工具材料得到广泛应用。超硬陶瓷可以切削和研磨石材、玻璃、混凝土、各种晶型和新型结构材料（高硬金属、高硬陶瓷Si3N4、SiC等），也可用于地质钻探、精密切削（铅、铜、不锈钢、碳纤维和硼纤维复合材料等）。还可作圆珠笔尖、高尔夫球靴钉子、手表外壳、小孔径拨丝模等。

高强陶瓷

陶瓷的高强力学性能比金属好，但因陶瓷的成份、工艺和显微结构的复杂性和不均匀性的影响，易产生脆性断裂。近年来广泛开展加稀土高强、高韧陶瓷的研究和应用。典型高强陶瓷为：Si3N4、SiC、部分稳定ZrO2，多以军事和宇航应用为主。

高陶瓷

高陶瓷具有下列特征：（1）在现有金属所不能承受的高和苛刻环境条件下具有较高强度；（2）高下韧性不降低；（3）抗蠕变性高；（4）抗蚀性优异；（5）抗热冲击能力高；（6）耐磨损性好等。高陶瓷应用于火箭、导弹、喷气发动机喷喉、壳件、端头帽、回收型人造卫星前缘、航空飞机外壳蒙皮、耐热瓦、汽轮机叶片、飞机高轴承、熔炼金属坩埚、阀泵、输管、高电极、高发热元件、发电和能源、热电偶保护管、模具等。高陶瓷按组成分两大类：（1）氧化物系：如Al2O3、MgO、BeO、ZnO等；（2）非氧化物系：如Si3N4、SiC、BN、AlN等。稀土在以上材料中为添加剂。

电子陶瓷

陶瓷早已进入了现代电子工业的许多领域：（1）压电铁电陶瓷用于力、声、位置速度传感器，红外传感器，电光敏感元件，各种压电振子和换能器；（2）微波介质陶瓷（微波通讯和卫星通讯）、电容器陶瓷；（3）快离子导体（固体电解质）：氧化锆氧传感器，LaF3气敏传感器，用于能量存储和转换；（4）热学性质的应用：包括具有各种热学特性的绝缘陶瓷、对度敏感的电阻陶瓷、热膨胀系数与金属相接近的镁橄榄石型陶瓷、磁流体发电机用电极材料、热发电元件和电子致冷元件用陶瓷、光电陶瓷和电光陶瓷（PLZT）等。

超导陶瓷

超导性材料的探索，以往主要是在金属王国中进行，由金属、合金而逐步发展到中间型金属化合物（碳化物、氮化物）和金属互换物，最高Tc=23.2K值，在金属中还有NbTi、Nb3Sn、V3Si等，探索者的目光已转向氧化物、硫化物等无机化合物和有机物；现在一些有机物的Tc值也很低。从1973年到1985年的12年中，超导临界度Tc没有提高1K。随后在短短1年多时间内相继发现4个高超导体系，共几十种不同的超导相，Tc从30K提高到290K。这些高超导体均系钙钛矿结构演变而来，根据其中铜的不同配位数将超导分为三类：（1）La2-xMxCuO4（镧系高超导陶瓷），M=B，Sr或Ca；（2）YBa2Cu3O5（123相，钇系高超导陶瓷），包括三价元素La、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu完全地、部分地甚至混合地替代Y所形成的化合物；（3）Ba，La互代的固溶体化合物La1-xYxBaCu2Oy等。

半导体陶瓷

半导体陶瓷具有独特的电学性能，同时还具有优良的机械性能、热性能和良好的化学稳定性。Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho或Er等稀土元素均可使BaTiO3陶瓷半导体化。

光学陶瓷

光子的传播速度比电子速度快得多，光在未来技术中的作用将日益重要。光学陶瓷有：（1）透明陶瓷；（2）红外光学陶瓷；（3）光色陶瓷；（4）荧光玻璃陶瓷，是玻璃和微晶的复合体，同时具有玻璃、晶体和陶瓷的优点，是一种很好的发光基质材料，它具有量子效率高，吸收和发射范围宽，荧光寿命长，易成型，成本低，化学性能稳定，使用度范围大，机械性能和热学性能好等特点，可望在激光、太阳能利用、光掩膜、电子、显示、装饰等领域得到广泛应用；（5）发光陶瓷，以异丙醇铝为原料，采用溶胶-凝胶法合成了Al2O3∶Eu3＋，Tb3＋发光陶瓷粉末和发光陶瓷；采用溶胶-凝胶法合成Al2O3-SiO2∶Ln3＋发光陶瓷；采用电弧法制备SrAl2O4∶Eu2＋长余辉发光陶瓷等；（6）光色陶瓷，在光照射时改变颜色，停止照射后可逆地恢复原色，PLZT透明陶瓷受光照射时呈现出自身改变颜色；（7）稀土陶瓷颜色釉，利用稀土作为着色剂或助色剂来制造各种陶瓷颜料和色釉。

铁电陶瓷和反铁电陶瓷

镧和铋掺杂的PBSZT弛豫铁电陶瓷的压电常数d31可由外加直流偏压控制。在一定电场诱导下，La掺杂Pb（Zr，Sn，Ti）O3反铁电陶瓷具有热释电效应，通过控制偏置电场的大小实现热释电电流的可开关、可调控，可用在热释电探测器；其电滞回线细而窄，强迫相变在一个比较宽的场强范围内逐渐完成，产生的电致应变小，介电损耗低，适合制作高压、高储能密度、长工作寿命的储能电容器。

稀土在陶瓷中的其他应用

磁性陶瓷（分为多晶磁性陶瓷和非晶态磁性陶瓷）、生物陶瓷、敏感陶瓷、高导热陶瓷、涂层陶瓷、多孔陶瓷、陶瓷基复合材料（无机、有机、纳米金属）等。

近几年来，玻璃陶瓷行业稀土消费量随着我国电子行业电视机玻壳、建材行业等的发展而增加。我国稀土光学玻璃的生产能力已达3000吨/年，产品质量与日本产品相当，而成本仅为日本的1/3，约有1/10的产品出口美国、日本和韩国。目前我国已有稀土抛光粉厂几十家，生产规模上百吨的有10余家。我国稀土在玻璃陶瓷行业的稀土消费量逐年递增。

下表列出了1990～2003年我国稀土在玻璃陶瓷业中的消费量。

表 1990～2003年我国稀土在玻璃陶瓷工业中的消费量（REO，吨）

年份

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

消费量

410

740

900

950

1100

1300

1400

1540

1650

1800

2000

2900

2800

6000

?

?

七、稀土净化催化领域的应用

稀土元素具有特殊的外层电子结构，其配位数的可变性决定了它们具有某种"后备化学键"或"剩余原子价"的作用，而这种能力正是催化剂所必须具备的。因此，稀土元素不仅本身具有催化活性，还可以作为添加剂或助催化剂提高其他催化剂的催化性能，是稀土大量使用的领域之一。目前稀土催化剂的应用包括以下几个方面：内燃机尾气机外净化；工业废气及人居环境净化；催化燃烧；燃料电池；低值烷烃利用等。

1 稀土催化在汽车尾气净化中的研究与应用

稀土催化剂用于汽车尾气净化，效果好，质量稳定可靠，价格便宜，是一个正在发展中的稀土应用市场。自20世纪80年代以来，稀土催化剂逐步进入市场。目前美国的汽车尾气净化催化剂需求量迅速增加，并成为稀土应用的最大市场。1996年美国在这一市场的稀土用量为1.2万吨（REO），占当年稀土总用量的46％。80年代初期，日本和欧洲等国家改进了催化剂技术，将稀土加入催化剂中，降低了成本，提高了性能，大大地促进了稀土催化剂的应用。1996年日本在汽车尾气净化催化剂中的稀土用量为420吨；欧洲在这一市场中的稀土用量约为1000吨。我国的科学工作者早在70年代就开始对汽车尾气净化催化剂进行研究开发工作，经过20多年的努力，应用研究已居世界前沿水平，基本具备了产业化转化的条件。特别是在技术上采取了与国外不同的技术路线，即主要研究开发重点放在纯稀土催化剂或以稀土为基引入少量贵金属的技术方向上，这就在汽车尾气净化稀土催化剂的研究开发中形成了具有我国特色和世界先进水平的科研成果。汽车尾气净化催化剂的生产将是下世纪我国最大的催化剂行业之一，也将是稀土的主要用户之一。研究开发天然气公交车及柴油汽车净化高性能强抗硫稀土氧化物催化剂；开发欧Ⅱ和欧Ⅲ标准新型机动车尾气净化催化剂的制备工艺；开发天然气助催化高燃烧稀土催化剂，提高燃烧炉效率和无污染排放；开发工业源排放有毒、有害、有机物等污染物气体净化催化剂。2002年环境领域包括汽车用催化剂、传感器工业源净化催化剂，稀土用量大约500吨。目前，国内已有上海、北京、无锡等地生产的稀土催化剂进入市场，并逐步在汽车尾气净化器上应用，其应用技术已达20世纪90年代世界先进水平。已在1000多部车上进行了实际应用，取得明显的净化效果。搞好稀土在这方面的应用，既开发了新的应用领域，又缓解了我国城市的大气污染，对实现经济和社会的可持续发展有着重要的意义。21世纪初，稀土在汽车尾气净化催化剂中的应用将会有一个大的飞跃，并成为一个新的稀土消费热点。稀土-贵金属复合催化剂的开发将大有可为。据估计，2005年我国将需要汽车尾气净化催化转换装置800～1000万套，需消费稀土约1500吨。2010年这组数据将达1200万套和1800吨。

在我国大中型城市，特别是在北京、上海、广州等地，汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。在北京市大气污染物排放总量中，平均有83％的一氧化碳、74％的碳氢化合物以及41％的氮氧化物是由汽车尾气排放形成的。解决汽车尾气排放污染，到目前为止，国内外公认最有效的治理办法是电喷加装尾气净化器，而净化器的核心技术是催化剂。国外主要采用贵金属作为催化剂，但即使是贵金属催化剂，在其基底的分散层里，也需加一定量的稀土以稳定氧化铝的高相。

自Libby提出将含稀土的催化剂应用于汽车尾气净化以来，稀土氧化物特有的催化性能早已引起了催化研究者们的关注。稀土氧化物的顺磁性，晶格氧的可移动性，阳离子的可变价以及表面碱性与许多催化作用有本质的联系。随着研究的深入，稀土氧化物不仅可以用作催化剂载体和助剂，而且发现在催化剂中添加稀土氧化物能够改善高比表面涂层的热稳定性和机械强度，提高贵金属活性组分的分散度、抗中毒和耐久性能，提高催化剂的储氧能力和抗氧化性能等。

我国自20世纪70年代开展了汽车尾气净化用稀土催化剂的研究，在采用稀土部分或全面代替资源短缺的贵金属用于汽车尾气净化的研究水平上居世界前沿，用钙钛矿型稀土复合氧化物（PTO）完全或部分代替贵金属来担当催化剂的活性组份，催化还原CO、HC、NO。所研制的汽车尾气催化剂具有良好的活性，较好的热稳定性，一定的抗硫、铅中毒能力，在寿命试验中已达5万公里以上，基本具备向产业化转化的条件。但是，对稀土氧化物的催化特性的研究和对催化化学规律的认识还比较肤浅，缺乏详细而深入的研究，对稀土氧化物表面性质以及催化特性的认识远远不如对贵金属甚至过渡金属氧化物那样细致、深入。

我国已于2000年1月1日起执行新的尾气排放标准GB14761-1999，所有机动车只有采用电喷加装三元催化转化器才能达到新的排放标准。随着我国汽车工业的迅速发展，以及有关部门和公众对环境保护的日益重视，适合我国国情的汽车尾气排放净化技术和产品的市场已开始形成。

下表是我国未来几年汽车保有量和净化器市场需求的预测。显然，这部分市场的启动将带动我国稀土研究与应用领域的发展。

表 我国未来几年汽车保有量和净化器市场需求的预测

年份

2003

2005

2010

汽车保有量

2260

2640

4180

净化器需求量

600

700

800

目前我国汽车尾气净化器生产企业已有100余家，少数企业达到了年产30万套以上的生产能力，其产品性能、质量基本能满足当前我国尾气排放控制的技术要求。但国外净化器企业涌入中国整车配套市场，对我国的净化器行业形成了巨大的潜在威胁。

除汽车以外，自1999年以来，我国一直是世界最大的摩托车制造国，摩托车的产量已超过1000万辆。目前对发达国家出口的摩托车要求必须安装尾气净化器，国内一些大中型城市已经开始要求治理摩托车的排气污染，这也是稀土催化材料应用的一个重要方面。

在柴油车的尾气污染治理中，目前主要依靠安装一个氧化净化器来对柴油车排放的碳烟以及部分气体污染物进行氧化净化治理。这也是稀土催化材料应用的一个重要领域。

2002年以来，我国固定式小型燃油发动机的产量也快速增长。目前主要用于家用发动机、庭院剪草机、小型灌溉设备、水上动力设备等。2003年我国仅出口小型燃油发动机就达1500余万台，一些厂商已经要求安装净化装置。2003年我国生产的汽车尾气净化器产量已达320万套。包括催化剂、载体以及氧传感器所消费的各类稀土，稀土消费量达910吨。预计到2005年，我国汽车尾气净化器的市场需求将超过550万套，稀土消费量将达1560吨。

2 稀土催化在工业废气、人居环境净化中的研究与应用

我国是化学品生产大国，能生产37000多种化学品（其中有毒化学品占8％）。随着我国工业化的迅速发展，工业生产（如石化、制鞋业、皮革业、油漆和涂料等行业）中排放的有毒有害废气和使用这些化学品产生的废气已经成为城市主要污染源之一，特别是挥发性有机废气（VOC）的排放。将稀土催化材料用于工业有机废气污染治理和人居环境净化，是推动稀土催化应用的动力之一。

开发经济实用的工业源净化有毒有害污染物控制技术是近年来研究最为活跃的领域之一。催化燃烧法具有操作度低、净化效率高、无需辅助燃料、二次污染物生成量少等优点，一直被认为是最有效的和最有应用前景的净化技术。催化氧化法主要适应于中高浓度以上的有机废气的净化。高性能的氧化催化剂是净化技术的关键。稀土催化材料由于其独特的催化氧化性质，已显示出越来越明显的开发应用前景，这方面的应用已有不少成功的范例。1997年美国VOCs净化用催化剂的销售额约达10亿美元，且以年平均20％～25％的速度增长，是近年来环保催化剂领域应用增长最快的。

现代人一天的生活，有80％～90％的时间是在室内度过的。大量吸入含多种污染物的空气，会引发一系列影响人体健康的病症。调查表明，现代人68％的疾病都与室内空气污染有关。因此净化人居环境，提高室内空气质量已成为居民迫切的需要。室内空气污染具有污染物种类繁多、浓度低、自净性差等特点，因此室内空气净化要比工业废气的催化净化困难得多，涉及在室条件下的光催化氧化和室催化氧化技术的耦合。

稀土具有复杂的能级结构和光谱特性，对纳米TiO2进行掺杂改性，可有效提高光催化的效率，是最具希望解决可见光利用率的技术之一。稀土型的低氧化催化剂，可在室下催化消除CO、O3等有害气体，通过与光催化剂的协同作用，是实行室下净化人居环境的最佳方案之一。我国对有机废气的催化燃烧的研究已经有许多成功的例子，但对低浓度VOC的净化研究还少见报道。光催化剂的敏化是光催化领域的研究热点之一，用稀土元素改性以提高二氧化钛光催化剂的敏化效率，在近几年虽然已有一些研究报道，但没有取得突破性的研究结果，目前的研究还较少涉及稀土掺杂原子能级与纳米TiO2半导体能级之间的相互作用研究，更缺少对稀土光谱项与光催化性能之间的关系研究。

稀土催化材料由于其良好的催化性能，独特的低活性，优越的抗中毒能力，在有机废气治理方面已显示出越来越优越的开发应用前景。其中稀土复合中孔催化材料具有大表面积、合适孔径分布、结构稳定等特点，已经成为工业有机废气净化中最有前景的催化材料之一。此外，通过纳米水平的设计，开发出先进的稀土催化材料，可以在降低90％贵金属用量的情况下仍能保证催化净化效率提高1倍。

3 稀土在催化燃烧中的研究与应用

火焰燃烧在人类进化和人类文明的发展中起着极其重要的作用。现代科学研究表明，传统的火焰燃烧法热效低，污染严重，制约了我国经济的发展。从根本上解决火焰燃烧的低效和高排放的途径是催化燃烧。与通常的燃烧相比，催化燃烧具有燃烧效率高、燃烧稳定、污染物（如CO、NOx和未完全燃烧物）超低排放等优点，这是各国在近20多年来致力于催化燃烧研究的原因。稀土型高燃烧催化剂具有价格便宜、原料易得、工艺稳定、净化效果好、使用寿命长等优点，在高催化燃烧中有一定的应用前景。发展稀土催化剂，开发研究国际先进的高催化燃烧技术，改善我国传统的燃烧方式是符合我国国情和发展道路的。

目前研究的催化剂有两类：一类是贵金属催化剂，这类催化剂具有较高的活性和一定的稳定性，但贵金属容易烧结和蒸发流失，且易被硫和铅等中毒，加上资源短缺，价格昂贵，至今仍未产业化；另一类主要集中在稀土、碱土取代的钙钛矿型氧化物、六铝酸盐等催化剂的研究上。催化燃烧对催化剂的基本要求是具有良好的低活性和高热稳定性。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。

目前国外有大量的研究报道，刚刚进入催化燃烧器研究阶段，离产业化还有一段距离。我国在这方面的研究尚处于起步阶段。目前催化燃烧尚未广泛应用，主要是由于催化材料的性能不能满足要求。稀土催化材料所显示出的优良活性和稳定性，是最有可能促进天然气等石化燃料催化燃烧大规模实际应用的途径之一。

我国天燃气资源丰富，总资源量为38万亿立方米，探明储量为1.53万亿立方米。随着西气东输、东海天然气开发和"西东南北中"五个天然气基地等国家重点项目的建设，解决沿途各大中城市因燃煤而造成的严重环境污染，天然气的有效利用是我国目前要急需解决的问题。目前国内外广泛使用的都是天然气火焰燃烧炉。据统计，2001年市场需求量为1500多万台，在2002～2005年将以30％幅度上升。但是，目前市场上销售的火焰燃烧炉全部为"明火燃烧，废气直接排放"的产品，均存在火焰燃烧热效率低和污染严重的实质问题。所以，天然气等低碳烷烃的催化燃烧炉的市场前景是十分好的。

4 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。低碳烷烃催化转化制备合成气的主要工艺过程有：蒸汽重整法、蒸汽重整接二段炉氧化法、催化部分氧化法和二氧化碳重整。在水蒸汽重整制合成气中，为了抑制积炭和活性金属Ni晶粒的高烧结，水蒸汽使用量大大高于化学计量，水气化需要大量的能耗。实践证明稀土添加剂具有良好的抗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。该过程已经实现了工业化，直接脱氢催化剂主要有铂系和铬铝系两大类，这些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，况且烷烃的转化率也不高。近年来用稀土为助剂的铬铝催化剂，取得了较好效果。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。与低碳烷烃制合成气催化剂的情况类似，稀土对其性能提高的研究仍然是初步的，对于与其他添加剂作用机理的区别和多元混合稀土添加剂协同作用的研究未见报道。

5 稀土在燃料电池中的研究与应用

固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有发电效率高、低污染和可持续发电等特点而受到人们越来越多的关注，被誉为21世纪的绿色能源。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，例如锶掺杂亚锰酸镧（LSM）；阳极材料的开发，例如镍-YSZ金属陶瓷；双极连接板材料，例如钙或锶掺杂的铬酸镧钙钛矿材料（LCC）：La1-xCaxCrO3；但更多的是应用在电解质材料上，例如YSZ（氧化钇掺杂的氧化锆），掺杂镓酸镧，氧化钍、氧化铈、稀土钙钛矿复合氧化物等。

目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。寻找新的优良的固体氧化物电解质仍然是新世纪推动SOFC实用化的关键任务之一。自Cook、Ishihara等报道了基于LaGaO3的钙钛矿氧化物具有很高的电导率以后，钙钛矿型固体电解质的研究受到了广泛的重视。ABO3不仅具有稳定的晶体结构，而且对A位和B位离子半径变化有着较强的容忍性，并可通过低价金属离子掺杂，在结构中引入大量的氧空位。钙钛矿型氧化物可以容纳大量的氧离子空位并具有很高的电导率，例如La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3在800℃的电导率为0.17 S/cm，是除Bi2O3以外氧离子电导率最高的陶瓷材料。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。通过研究组成、结构与导电性的关系以及掺杂离子的形态，来设计、合成新型结构的复合稀土氧化物，获得高电催化活性和高导电率的稀土电极材料，是固体氧化物燃料电池目前的研究热点，也是稀土在此领域中的一个重要应用。

6 稀土催化在焦化污水净化中的应用

煤的高及中干馏、煤气净化以及化工产品精制过程中所产生的污水是一种由污染物组成的极复杂、浓度高、毒性大且难处理的工业污水。不仅含有大量无机物，而且含有大量的有机物，包括大量芳烃及诸如BaP等稠环芳烃（PAH）。目前，焦化污水处理大多采用普通生化法，这种方法虽然能有效地去除酚、氰，使之达到排放标准，对COD（化学需氧量）的去除也有效。但是，随着人们对环境认识的不断深入，国家对环保的要求也日趋严格，已难满足新的要求。催化湿式氧化是处理焦化污水的现代净化技术，该方法是污水在高、高压下保持在液相状态下，通入空气，采用我国研制的新型高效双组分催化剂（贵金属与稀土元素），对污染物进行彻底的氧化分解，使之转化为无害物质，从而使污水得到深度净化的方法。

7 稀土催化在烟气脱硫中的应用

近年来，由于燃煤的大量开采和直接燃烧，致使大气中SO2的含量不断呈上升趋势，"酸雨"现象时有发生，据统计我国1995年向大气中排放的二氧化硫达到2370万吨，居世界第一位。因此，解决燃煤烟道气的脱硫问题已经成为各国研究的热点。日本用稀土进行了煤的催化气化研究，用硝酸镧、硝酸铈、硝酸钐负载在原煤上的气化率比过去用的硝酸钠明显提高。稀土型脱硫剂易发生脱硫反应的度区间较宽，为150～200℃，与实际烟道气度（160℃）比较吻合，而且其脱硫效率可达90％左右；脱硫剂也可以再生重复使用，所以该稀土型脱硫剂适用于烟道气中的SO2的脱除。

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八、稀土在医疗中的应用异军突起

有关稀土在医学中的应用和理论问题，长期以来都是全世界很重视的研究项目。人们很早就发现稀土的药理作用。最早在医药中应用的是铈盐，如草酸铈可用于治疗海洋性晕眩和妊娠呕吐，已载于药典；此外，简单的无机铈盐可用作伤口消毒剂。自60年代以来陆续发现稀土化合物具有一系列特殊的药效作用，是Ca2＋的优良拮抗剂，有镇静止痛作用，可广泛用于治疗烧伤、炎症、皮肤病、血栓病等，从而引起了人们的广泛注意。

1 稀土在药物上的应用

抗凝血作用

稀土化合物在抗凝血方面占有特殊地位。它们用于体内外都能降低血液的凝固，特别用于静脉注射，能立即产生抗凝作用，并持续一天左右。稀土化合物作为抗凝剂的一个重要优点是作用迅速，这和直接作用的抗凝剂（如肝素）相当，并且具有长期效应。稀土化合物在抗凝血方面已得到广泛的研究和应用，但在临床应用方面由于稀土离子的毒性和累积问题而受到一定限制。尽管稀土属于低毒范围，比很多过渡元素的化合物安全得多，但仍需进一步考虑包括从体内排出等问题。近年来，稀土作为抗凝剂已有新的发展，人们将稀土与高分子材料结合，制得具有抗凝血作用的新型材料，由这样的高分子材料制成的导管及体外血液循环装置可以防止血液凝固。

烧伤药物

稀土铈盐的抗炎作用是提高治疗烧伤效果的主要因素。使用含铈盐药物，能使创面炎症减轻，加速愈合，稀土离子能抑制血液中细胞成分的增殖及液体从血管中的过度渗出，从而促进肉芽组织生长及上皮组织的代谢。硝酸铈能迅速控制严重感染的创面使其转为阴性，为进一步治疗创造条件。

抗炎、菌作用

稀土化合物作为抗炎、菌药物使用已有很多研究报道。使用稀土药物对皮肤炎、过敏性皮肤炎、牙龈炎、鼻炎和静脉炎等炎症均有满意的结果。目前稀土抗炎药物大部分为局部外用药，但也有一些学者在探索将其内用治疗胶原性疾病（风湿性关节炎、风湿热等）和过敏性疾病（荨麻疹、湿疹、漆中毒等），这对皮质激素类药物禁忌的患者更具有重要意义。现在许多国家都在进行着稀土抗炎药物的研究，人们期望有进一步突破。

抗动脉硬化作用

近年来发现稀土化合物有抗动脉硬化作用，很受人们关注。冠状动脉硬化是世界工业化国家发病亡的首要原因，我国大城市近年来也出现了同样的趋势。因此动脉粥样硬化的病因和防治是当今医药研究的重大课题之一。稀土元素镧可预防、改善主动脉和冠状脉粥硬化。

放射性核素与抗肿瘤

稀土元素的抗癌作用已引起人们的关注。利用稀土诊断及治疗癌症最早使用的是其放射性同位素。1965年用稀土放射性同位素治疗与垂体有关的肿瘤。科研人员对轻稀土抑瘤作用机理的研究表明，稀土元素除了可以清除机体内的有害自由基外，还可使癌细胞内的钙调素水平下降，抑癌基因的水平上升。表明稀土元素的抑癌作用可能是通过使癌细胞恶性程度下降而实现，说明稀土元素对肿瘤的防治有不可低估的前景。

北京市劳防所等采用回顾性队列调查的方法，对甘肃稀土行业工人进行了17年的肿瘤流行病调查。结果表明：稀土厂区人群、生活区人群和甘肃地区人群的标化亡率（肿瘤）分别为23.89/105、48.03/105和132.26/105，其比值为0.287∶0.515∶1.00。稀土组明显低于本地对照组和甘肃省，说明稀土可抑制人群肿瘤的发病趋势。

抗癌新星

流行病学调查结果表明：稀土作业工人的肿瘤发生率明显低于对照组人群。动物实验也发现：给小鼠长期灌服稀土后，观察到小鼠对移植的肉瘤有明显的抑制作用。进一步研究还证实：稀土元素一方面可对抗人类多种肿瘤细胞株（如乳腺癌、肺癌、胃癌、白血病等）生长和增殖，另一方面又可促进正常细胞的生长，这就为稀土应用于肿瘤治疗提供了一定的实验依据。

　　那么稀土抗癌的机制是什么? 多数研究认为主要有以下几方面： ①稀土对癌组织有较强的亲和力， 稀土与癌组织结合后可干扰癌细胞的代谢和DNA（脱氧核糖核酸）的合成；②稀土像一把“剪刀”，可剪切核酸链，使其发生水解、断裂；②稀土能选择性破坏恶变或癌变的细胞内部的超微结构；④稀土能抑制癌基因表达，同时又能增强抑癌基因的表达。

　　尽管有关稀土抗肿瘤机理的 研究仍在探讨之中，但统计资料显示：在治疗癌症的放射性元素中，放射性稀土就占了一半。此外，医学科研工作者目前也致力于将稀土用于艾滋病的治疗。大版大学足立吟教授对该项工作以及展望作了高度评价：“将稀土的功能扩大到生物学领域的成果，如能在医学上用稀土催化剂切断艾滋病与癌的基因，将是人类的最大福音。”可见，就艾滋病与癌而言，稀土给人的震撼将大大超过前几年出现的稀土氧化物高超导体。相信人类在21世纪攻克肿瘤和艾滋病的过程中，稀土—这一抗癌新星将大放光彩。

2 稀土在医疗器械中的应用

在医疗器械方面，用含稀土的激光材料制成的激光刀可作精细手术，由镧玻璃制作的光学纤维可用作光导管，用它能清楚地观察到人体胃部病变情况，稀土元素镱作为脑扫描药剂，可用于脑扫描和腔室造影；用稀土荧光材料制作的新型X光增感屏，比原用的钨酸钙增感屏的拍片效率提高5～8倍，并可缩短曝光时间，减少人体所受辐射剂量，拍片的清晰度也大为提高，运用稀土增感屏可以把原来不少难以确诊的病变比较准确地诊断出来。 利用稀土永磁材料制成的磁共振成像仪（MRI）是八十年代应用的新技术医疗设备，它利用一个稳定均匀的大磁场给人体一个脉冲波，使人体氢原子产生共振并吸收能量，然后突然关闭磁场，氢原子就会将吸收的能量释放出来，由于人体各组织中的氢原子分布不同，释放能量的时间长短各异，经过电子计算机对接收到的不同信息加以分析处理，就能复原和解析出人体内部器官的图像，用以分辨器官正常或异常，鉴别病变的性质。和X光断层扫描相比，MRI具有安全、无痛苦、无损害、对比度高等优点。MRI的出现被医学界称为诊断医学史上的一次技术革命。 在医疗应用最广泛的是运用稀土永磁材料进行磁穴疗法。由于稀土永磁材料的磁性能很高，并能做成各种形状的磁疗用具，而且不易退磁，用它作用于肌体经络穴位或病变区域，能取得比传统磁疗效果好的疗效。现在用稀土永磁材料制成磁疗项链、磁针、磁保健耳饰、健身磁手镯、磁水杯、磁贴敷、磁性木梳、磁护膝、磁护肩、磁腰带、磁性按摩器等磁疗产品，具有镇静、止痛、消炎、止痒、降压、止泻等作用。

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