钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（三十）
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2024年9月24日 星期二 16:45
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第IV部分 稀土在新能源电池市场的介绍
第三十章 稀土元素在燃料电池中的应用
燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲醇等）与氧化剂（通常是氧气）直接转化为电能的装置，具有高能量转换效率、低污染排放和燃料多样化等优点。稀土元素因其优异的催化性能、离子导电性和稳定性，在燃料电池的多个关键组件中发挥着重要作用。
一、稀土元素在燃料电池正极材料中的应用
镧（La）：镧元素常被用作燃料电池正极材料的组成部分，特别是在混合离子导体燃料电池（HICFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）中。镧基复合氧化物（如LaSrMnO₃）作为SOFC的阴极材料，具有良好的离子和电子导电性，能够促进氧气的还原反应，从而提高电池性能。此外，镧还被用于改性其他正极材料，以提高其电化学活性和稳定性。
钕（Nd）：虽然钕在燃料电池正极材料中的直接应用较少，但其作为NdFeB永磁材料的关键原料，在燃料电池系统的电动机和发电机中广泛应用。这些设备的效率提升间接促进了燃料电池系统的整体性能。
二、稀土元素在燃料电池电解质材料中的应用
钇（Y）：钇稳定的氧化锆（YSZ）是SOFC中最常用的电解质材料之一。YSZ在高温下具有优异的离子导电性能，能够有效传导氧离子，从而提高燃料电池的功率密度和运行效率。此外，YSZ还具有良好的化学稳定性和机械强度，能够抵抗电池运行过程中可能发生的腐蚀和变形。
铈（Ce）：氧化铈（CeO₂）及其掺杂化合物也是燃料电池电解质材料的重要选择。CeO₂具有较高的氧离子导电性和储氧能力，在低温燃料电池（如质子交换膜燃料电池PEMFC）中作为电解质添加剂或涂层材料，可以提高电池的性能和稳定性。此外，CeO₂还可用作固体氧化物燃料电池的阳极材料，促进燃料的氧化反应。
三、稀土元素在燃料电池催化剂中的应用
镧（La）：镧及其化合物在燃料电池催化剂中有着广泛的应用。例如，在PEMFC中，镧镍合金（LaNi₅）被用作阳极催化剂，促进氢气的氧化反应。同时，镧还可用于改性其他贵金属催化剂（如铂），提高其抗CO中毒能力和稳定性。
铈（Ce）：CeO₂在燃料电池催化剂中同样扮演着重要角色。其优异的氧化还原性能和储氧能力使得CeO₂成为许多催化剂的活性组分或载体。在PEMFC中，CeO₂可用于改善催化剂的分散性和稳定性，提高电池的电化学性能。
镨（Pr）和钕（Nd）：镨和钕也常被用于燃料电池催化剂的改性。通过掺杂镨或钕元素，可以改善催化剂的晶体结构和电子结构，从而提高其催化活性和稳定性。例如，镨掺杂的BaFeO₃-δ钙钛矿材料在SOFC中展现出优异的电化学性能。
四、稀土元素在燃料电池其他组件中的应用
铽（Tb）：铽作为燃料电池的稳定剂，主要用于提高电极材料的稳定性和防止氧化、腐蚀等现象。通过掺杂铽离子或添加铽化合物，可以增强电极材料的耐久性和电化学性能，从而延长燃料电池的使用寿命。
镝（Dy）：尽管镝在燃料电池中的直接应用较少，但其与其他稀土元素一起被用于生产高效能量转换的光伏薄膜。这些薄膜在太阳能发电领域的应用，为燃料电池系统提供了更为稳定和可靠的电力来源。
随着燃料电池技术的不断发展，稀土元素在其中的应用也在不断创新。例如，研究人员正在探索将稀土元素与其他纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）结合，以制备具有更高性能和稳定性的燃料电池电极和催化剂。此外，稀土元素在燃料电池的电解质改性、热管理以及系统集成等方面也展现出巨大的潜力。
30.1 镧元素在燃料电池中的应用
一、镧元素的基本介绍
镧（Lanthanum），化学符号为La，原子序数为57，是一种金属稀土元素。其名称来源于希腊文“lanthanein”，意为“隐蔽的”，这反映了早期科学家在稀土元素研究中遇到的挑战和复杂性。镧在地壳中的含量虽然不高，仅为0.00183%，但在稀土元素中含量仅次于铈，是稀土元素家族中的重要成员。
镧是一种银白色金属，具有银灰色光泽，质地较软，可以用刀切割。其密度为6.162g/cm³，熔点为920℃，沸点为3464℃（常压）。镧的化学性质活泼，暴露于空气中会迅速失去金属光泽，生成一层蓝色的氧化膜，随后进一步氧化生成白色的氧化物粉末。镧能与冷水缓慢作用，易溶于酸，并能与多种非金属反应。由于其活泼性，金属镧一般保存在矿物油或稀有气体中以防止氧化。
镧有三种晶型，分别是α型（六方晶系）、β型（面心立方堆积，350℃稳定存在）和γ型（>868℃稳定存在）。
镧元素在燃料电池、电子技术、环境保护、医学、储氢合金等领域有着广泛的应用。
在燃料电池中，镧元素主要作为阳极催化剂或电解质材料使用，对提升燃料电池的性能和稳定性具有重要作用。
在电子技术领域有重要应用。镧元素被用作电池正极材料，特别是镧镍氢电池和镧钴氧电池。这些电池具有高能量密度、长循环寿命和环保等优点，在便携式电子设备、电动汽车等领域得到广泛应用。此外，镧元素还被用作电视和显示器的磷光粉，提供红色和粉红色的荧光效果。
在环境保护领域，镧元素被用作废水处理剂，可以有效去除重金属离子和其他有害物质。镧元素及其化合物能够与废水中的有害物质发生化学反应，形成不溶性的沉淀物或络合物，从而将其从废水中去除。
在医学领域，镧元素可用于某些放射性核素的治疗、胃肠道的对比剂以及某些药物的辅助添加剂等。虽然关于镧元素生物特性的研究仍处于初级阶段，但其潜在的应用前景已经引起了医学界的广泛关注。
在储氢合金领域，镧元素是重要的原料。以LaNi5为代表的稀土系储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类。这些合金能够可逆地吸放大量氢气，具有高密度、高容量和长寿命等优点，在氢能源汽车、储能系统等领域具有广泛应用前景。
二、镧元素在燃料电池中的作用
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、环保、低噪音等优点。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是其中一种重要的类型，它能够在中高温下工作，将氢气或碳氢燃料与氧气反应产生的化学能直接转化为电能。镧元素主要作为燃料电池的阳极催化剂或电解质材料使用。
阳极催化剂：镧元素在燃料电池中被用作阳极催化剂，特别是在固体氧化物燃料电池中。阳极催化剂是燃料电池中的关键部件之一，它能够促进燃料（如氢气）在阳极表面的氧化反应，从而提高燃料电池的效率和稳定性。镧元素及其化合物作为阳极催化剂，能够增加燃料电池的活性位点，降低反应活化能，使燃料更高效地转化为电能。
电解质材料：除了作为阳极催化剂外，镧元素还被用作燃料电池的电解质材料。电解质是燃料电池中的另一个关键部件，它位于阳极和阴极之间，负责传导离子并隔离燃料和氧化剂。磷灰石型镧硅化合物在中低温下显示出较高的电导率，因此被用作固体氧化物燃料电池的电解质材料。使用磷灰石型镧硅化合物作为电解质材料，可以有效提高燃料电池的转化效率、降低工作温度并解决因高温而带来的电池部件连接、封装等问题。
30.2 铈元素在燃料电池中的应用
30.3 镨元素在燃料电池中的应用
30.4 钕元素在燃料电池中的应用
30.5 铕元素在燃料电池中的应用
铕是一种稀土金属元素，位于元素周期表的镧系中，具有独特的电子结构和能级分布。在自然界中，铕主要以氧化物的形式存在，如氧化铕（Eu₂O₃）。铕具有优良的发光性能和磁性，因此在光电材料、磁性材料等领域有广泛应用。然而，在燃料电池领域，铕的应用相对较为新颖，但其潜力不容忽视。
铕元素在燃料电池中的有什么作用？
（1）电解质材料的改性
电解质是燃料电池中的关键组件，负责传导离子并阻止电子的直接通过。铕的掺入可以显著改善电解质的性能。一方面，铕的掺杂可以改变电解质的晶体结构，优化离子传输通道，从而提高离子电导率。这对于提高燃料电池的功率密度和效率至关重要。另一方面，铕的掺杂还可能增强电解质的稳定性，减少在高温或高湿度等恶劣环境下的性能衰退。
近年来，研究人员对铕掺杂的电解质材料进行了广泛研究。例如，有研究表明铕掺杂的氧化铈基电解质表现出更高的离子电导率和更好的稳定性。通过优化掺杂量和掺杂方式，可以进一步提高电解质的性能并降低生产成本。此外，还有研究探索了铕与其他稀土元素共掺的效果，发现共掺可以进一步优化电解质的性能并扩大其应用范围。
（2）催化剂的辅助作用
催化剂在燃料电池中起着加速电极反应速率的作用。虽然铕本身作为催化剂的活性可能不如铂、钯等贵金属，但其在催化剂体系中的辅助作用不容忽视。例如，铕可以与其他金属元素形成复合催化剂，通过协同效应提高催化剂的整体性能。此外，铕的掺杂还可能影响催化剂的表面结构和电子状态，从而优化催化剂对反应物的吸附和活化能力。
（3）电池结构与性能的优化
除了直接作为电解质或催化剂成分外，铕还可以通过影响燃料电池的整体结构和性能来发挥作用。例如，在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，铕的掺入可能改变电解质与电极之间的接口结构，促进接口反应的进行。此外，铕的掺杂还可能影响电池的密封性能和热管理性能，从而提高电池的稳定性和可靠性。
随着燃料电池技术的不断发展和进步以及全球对清洁能源需求的增加，铕在燃料电池中的应用前景将更加广阔。未来发展趋势主要包括以下几个方面：
技术创新与材料研发：通过技术创新和材料研发不断提高铕基材料的性能稳定性和制备工艺效率降低生产成本和能耗。同时探索新的铕基复合材料和应用领域拓展其在燃料电池中的应用范围。
系统集成与优化：将铕基材料与其他燃料电池组件进行系统集成和优化设计提高燃料电池系统的整体性能和可靠性。通过优化电池结构、提高能量密度和功率密度等方式进一步提升燃料电池的竞争力。
政策支持与市场推广：政府应出台相关政策支持燃料电池技术的发展和应用推广包括提供财政补贴、税收优惠等政策措施。同时加强市场推广和宣传教育力度提高公众对燃料电池技术的认识和接受度。
资源回收利用：加强铕资源的回收利用技术研究提高资源利用率和回收率。通过建立完善的回收体系和技术标准实现铕资源的循环利用和可持续发展。
30.6 铽元素在燃料电池中的应用
30.7 镝元素在燃料电池中的应用
30.8 钇元素在燃料电池中的应用
30.9 钪元素在燃料电池中的应用
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