【知識】稀土元素鐠及其應用

鐠在化學元素週期表中位居鑭系元素的第三位元，在地殼中的豐度為9.5ppm，僅低於鈰、釔、鑭、鈧，是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一樣，鐠是個樸素無華，個性似乎不太突出的稀土家族成員。

在 稀土元素的發現史上，鐠和釹是同時被發現的。1841年，那位曾經發現了鑭的瑞典化學家莫桑德爾(C.G. Mosander)從“鑭土”中發現了新“元素”，性質與鑭非常相似，將其定名“迪迪姆”（Didymium，希臘語為“雙胞胎”的意思），但它不是單一 元素，而是鐠釹化合物。又過了40多年，那位曾經發明了釷鈰汽燈紗罩的奧地利人威爾斯巴赫（C.F.Auer Von Welsbach），也正是在發明汽燈紗罩的1885年，成功地將“鐠釹”這對“連體雙胞胎”實施了分離手術，從中分離出綠色的鐠鹽和玫瑰色的釹鹽，確定 它們是兩種新元素。一個取名為“鐠”（Praseodymium），來自希臘字prason，意思是綠色化合物，因為鐠鹽水溶液會呈現出鮮豔的蔥綠色；另 一個元素則取名為“釹”（Neodymium）。這對“連體雙胞胎”的成功分離，使他們從此可以各自施展才華。

鐠作為用量較大的稀土元素， 很大一部分是以混合稀土的形式被利用，比如用作金屬材料的淨化變質劑、化工催化劑、農用稀土等等。鐠釹是稀土中性質最為相似又最難分離的一對元素，用化學 法很難將其分離，工業生產通常採用萃取法和離子交換法。如果把他們成雙入對地以鐠釹富集物形式使用，可以充分發揮其共性作用，價格也比單一元素產品便宜。 鐠釹合金（鐠釹金屬）已成為獨立產品，既可用於永磁材料，也可作為有色金屬合金改性添加劑。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑， 可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。作為塑膠改性添加劑，在聚四氟乙烯（PTFE）中加入鐠釹富集物，可明顯提高PTFE的耐磨性能。

稀 土永磁材料是當今最熱門的稀土應用領域。鐠單獨用作永磁材料性能並不突出，但他卻是一個能改善磁性能的優秀協同元素。無論是第一代稀土永磁材料釤鈷永磁合 金（SmCo5），還是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（Nd2Fe17B），加入適量的鐠都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取 代Sm可以提高永磁材料的磁能積，兩者的比例一般為80%Sm—20%Pr，若鐠加入過多反而會降低材料的矯頑力和穩定性。在第三代稀土永磁材料釹鐵硼 中，添加鐠可以提高材料的矯頑力，德國、日本等國在生產高矯頑力釹鐵硼磁體時，均加入部分鐠。鐠的加入量為5％～8％，最高達10％，可取代1／3的釹。 磁性材料對鐠品質要求較高，至少應達到釹的同等品質。加入鐠還能提高磁體抗氧化性能（耐空氣腐蝕）和機械性能，已被廣泛應用於各類電子器件和馬達上。另 外，在釤鐵氮新型稀土粘結永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能，這將進一步擴大鐠的應用。因此，隨著鐠在永磁材料的應用發展，鐠的用量和 價格不斷攀升，已成為稀土產品中的“新寵”。

鐠還可用於研磨和拋光材料。眾所周知，純鈰基拋光粉通常為淡黃色，是光學玻璃的優質拋光材料， 已取代拋光效率低又污染生產環境的氧化鐵紅粉。但人們發現，氧化釹對拋光作用不大，但鐠卻有良好的拋光性能。含鐠的稀土拋光粉會呈紅褐色，也被稱作“紅 粉”，但這種紅不是氧化鐵紅，而是由於含有氧化鐠使稀土拋光粉顏色變深。鐠還被用新型磨削材料，製成含鐠剛玉砂輪。與白剛玉相比，在磨削碳素結構鋼、不鏽 鋼、高溫合金時，效率和耐用性可提高30%以上。為了降低成本，過去多用鐠釹富集物為原料，故稱鐠釹剛玉砂輪。

鐠在光纖領域的用途也越來越 廣，已開發出在1300~1360nm譜區起放大作用的摻鐠光纖放大器（PDFA），技術日趨成熟。PDFA以其優異的性能價格比，對我國當前大量鋪設的 1550nm的CATV系統光纖有線電視的興建改造與系統升級有著重大的實際意義。PDFA將從根本上改變現有的1550nmCATV的網路格局，使 1310nmCATV系統在HFC系統改造中成為替代1550nm系統的理想選擇。

鐠鹽(草酸或碳酸鹽)經高溫灼燒，可形成棕黑色的氧化物 Pr6O11，其構成就如同4個PrO2和1個Pr2O3的組合，表明鐠有很強的呈正4價傾向。將氧化鐠加入矽酸鋯中會呈亮黃色，可用作陶瓷顏料－鐠黃。 鐠黃(ZrO2－Pr6O11－SiO2)被認為是最好的黃色陶瓷色料，在高達1000℃仍保持穩定，可用於一次性或重燒工藝。鐠進入矽酸鋯晶格，占材料 成份約5％。鐠黃被廣泛應用於建築陶瓷和日用陶瓷著色，可單獨作釉下顏料，也可與陶瓷釉混合製成色釉，其著色鮮豔亮麗，色澤純正，隨含鐠量的多少，可深至 琥珀黃，淺至乳白黃，用其代替傳統的釩錫黃和釩鋯黃，可克服原先的褐色調，用來製作衛生和建築陶瓷，色調高潔淡雅。用其可製作獨特的仿象牙工藝美術和日用 陶瓷，色彩亮麗精美，深受陶瓷業的青睞。我國、義大利和西班牙，作為建築瓷磚的主要生產國，都擁有很大的鐠黃消費市場。通過氧化鐠與其他元素配伍，還能調 配出鋯鐠釩綠、鋯鐠釩橙等陶瓷色料。調整氧化鐠與五氧化二釩的比例，還可製作出黃色與天藍之間色調的陶瓷色料。在鐠黃中加入CeO2，能形成略帶紅色的嬌 黃色。全球用作鐠黃為主的陶瓷著色劑消費的氧化鐠估計上千噸。

鐠還被用作玻璃著色劑，色彩豐富，也有很大的潛在市場。可制得具有鮮亮韭綠和 蔥綠色彩的“鐠綠”玻璃製品，既可製作綠色濾光片，又可用於工藝美術玻璃。在世界聞名的義大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都會看到鐠的亮綠色彩。在玻璃中加 入氧化鐠和氧化鈰，可用作電焊用的護目鏡玻璃。硫化鐠還有望成為實用的綠色塑膠著色劑。

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