摘要：鑭、鈰和鐠等元素具有獨(dú)特的4f電子層結(jié)構(gòu),在化學(xué)反應(yīng)中具有良好的助催化作用,因此被用作優(yōu)良的添加劑和助催化劑。在工業(yè)應(yīng)用中主要有分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固溶體催化材料等三類(lèi)材料，用于石油裂變催化和環(huán)保催化等。受全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，國(guó)內(nèi)稀土催化材料發(fā)展升級(jí)，由質(zhì)量增長(zhǎng)逐步轉(zhuǎn)型為質(zhì)量提升。

稀土催化材料是添加鑭、鈰和鐠等輕稀土的化合物，通過(guò)深加工作為助劑和添加劑，常用方法有機(jī)械混合法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法等。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括石化、環(huán)保、材料合成、新能源和燃燒催化等領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用在石油催化裂化（FCC）和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣處理領(lǐng)域，如圖1所示。2018年國(guó)內(nèi)石油裂化催化劑產(chǎn)量20萬(wàn)噸，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑產(chǎn)量5600萬(wàn)升。

　　圖1 稀土催化劑產(chǎn)業(yè)鏈

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稀土助劑意義在于提高催化劑活性，降低成本

稀土在現(xiàn)代工業(yè)中很少用作主體催化劑，主要以助劑或催化劑的一種活性組分承擔(dān)其催化功能。稀土助催化劑從結(jié)構(gòu)和成分上分為三類(lèi)，分子篩稀土催化劑、鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固氧體催化材料，如圖2所示。分子篩催化劑在摻入輕稀土材料鑭和鈰之后可以大幅提高其活性，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于石油裂化催化領(lǐng)域，在實(shí)際使用中，稀土分子篩材料將原油轉(zhuǎn)化率由35%～40%提高到70～80%，汽油產(chǎn)率會(huì)提高7～13%，同時(shí)能加工大量的劣質(zhì)渣油。鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固氧體催化材料主要應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域中的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣催化領(lǐng)域。傳統(tǒng)的貴金屬（鉑、鈀、銠）催化劑在低溫環(huán)境下催化性能良好，但在高溫時(shí)易燒結(jié)，失活，抗中毒能力差（鉛、鎘 ）而且貴金屬產(chǎn)量有限，價(jià)格高昂，輕稀土作為助劑能夠有效解決此類(lèi)問(wèn)題。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣主要處理的成分有CO，NOX和碳?xì)浠衔铮壳跋⊥链呋瘎┰贑O和碳?xì)浠衔锎呋Ч己茫贜OX方面差距較大，目前在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣領(lǐng)域，貴金屬仍承擔(dān)主催化劑。與產(chǎn)量有限，價(jià)格高昂的貴金屬相比，輕稀土物美價(jià)廉。從2018年至2019年7月中旬氧化鑭、氧化鈰價(jià)格保持在12200-14200元/噸，并呈下降趨勢(shì)。

　　圖2 稀土催化材料在主要工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域概況圖

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國(guó)內(nèi)稀土助劑應(yīng)用比例小，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣領(lǐng)域應(yīng)用差距大

從全球范圍看，稀土功能性材料中催化領(lǐng)域占比最高19%，而我國(guó)稀土催化領(lǐng)域僅5%，如圖3所示，總體上比例仍然存在不小的差距（考慮到石化領(lǐng)域中一部分也是催化材料的應(yīng)用，即使加上石化領(lǐng)域仍然有差距），主要原因除了我國(guó)磁材行業(yè)發(fā)達(dá)外，稀土催化領(lǐng)域尤其是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣領(lǐng)域與國(guó)外差距較大。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣催化器本質(zhì)是一系列化工材料的綜合體，由催化劑載體、涂層、催化劑助劑和活性成分四部分組成，稀土材料充當(dāng)助劑和提高活性的組分。目前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣領(lǐng)域由三巨頭（德國(guó)巴斯夫占27%、比利時(shí)優(yōu)科美占19%、英國(guó)莊信萬(wàn)豐占26%）把控72%的市場(chǎng)，此外美國(guó)格雷斯、日本NGK也占有一定市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)汽車(chē)尾氣領(lǐng)域主要的企業(yè)貴研鉑業(yè)、中自催化、威孚力達(dá)等競(jìng)爭(zhēng)力不足，背后原因主要是缺乏催化材料核心技術(shù)（助劑和活性成分）。隨著國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，新標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)排放廢氣的基礎(chǔ)上加嚴(yán)30%，貴金屬、稀土助劑等材料需求量增長(zhǎng)超過(guò)100%，催化材料的需求缺口將會(huì)更大。現(xiàn)我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出滿足國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的稀土催化集成技術(shù)，將會(huì)刺激更多的企業(yè)在汽車(chē)尾氣領(lǐng)域加大研發(fā)投入。

　　圖3 全球各國(guó)稀土消費(fèi)對(duì)比和中國(guó)稀土消費(fèi)結(jié)構(gòu)

　　（資料來(lái)源：中國(guó)稀土業(yè)協(xié)會(huì)，五度易鏈行業(yè)研究中心）

中石化稀土專(zhuān)利申請(qǐng)獨(dú)居榜首，國(guó)內(nèi)外石油裂化領(lǐng)域差距小

從專(zhuān)利方面看，我國(guó)在稀土方面的專(zhuān)利申請(qǐng)較晚，但是隨著對(duì)專(zhuān)利的重視程度提升，國(guó)家對(duì)技術(shù)創(chuàng)新和專(zhuān)利保護(hù)力度的加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量從1996年以后開(kāi)始大量增加，如表1所示。截止到2019年7月31日，全球各大公司的稀土專(zhuān)利排行中，中國(guó)石化以2904件專(zhuān)利申請(qǐng)排行第1，并且集中在稀土催化領(lǐng)域。2015-2018年國(guó)內(nèi)每年石油裂化催化劑產(chǎn)量保持在20萬(wàn)噸左右，并且催化效率在不斷提升，因此原油加工量也連續(xù)上升，2015原油加工量5.22億噸，2018年已達(dá)到6.03億噸，如圖4所示。目前中石化等公司的催化裂化技術(shù)已經(jīng)步入世界一流，國(guó)內(nèi)外石油裂化領(lǐng)域差距縮小。

　　表1 全球稀土專(zhuān)利數(shù)量排行

　　（資料來(lái)源：專(zhuān)利匯，五度易鏈行業(yè)研究中心）

　　圖4 2015-2018年國(guó)內(nèi)原油加工量與增長(zhǎng)速度

　　（資料來(lái)源：工信部，五度易鏈行業(yè)研究中心）

結(jié)語(yǔ)

稀土催化材料在石油裂化，汽車(chē)尾氣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，輕稀土鑭、鈰、鐠可以提高稀土催化劑的活性，耐溫性和抗中毒能力，并且能降低整體成本。近年來(lái)國(guó)內(nèi)以中石化為代表的的公司在稀土催化領(lǐng)域申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量快速增加，國(guó)內(nèi)石油裂化技術(shù)工藝與國(guó)外差距逐漸縮小，但是由于缺乏核心催化材料技術(shù)，我國(guó)在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力不足。