稀土在美國國防部和日本防衛(wèi)廳均被列入本世紀(jì)的戰(zhàn)略元素，所謂戰(zhàn)略元素是其對國民經(jīng)濟(jì)乃至國家安全產(chǎn)生直接或間接重大影響的必備元素，全球資源的不平衡使區(qū)域重視程度不一。所幸稀土是我國的優(yōu)勢資源之一，相對其他產(chǎn)業(yè)，曾少有地受到過幾代領(lǐng)導(dǎo)人的直接關(guān)心和長期重視。如何發(fā)揮稀土資源優(yōu)勢，真正把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的現(xiàn)實(shí)需求。稀土元素由于其獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)，不但在高新技術(shù)領(lǐng)域日益凸顯其無可替代的光電磁優(yōu)異性能，而且在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中不乏畫龍點(diǎn)睛之舉。伴隨高純稀土材料制備的進(jìn)步，應(yīng)用的廣度和深度在整個(gè)稀土產(chǎn)業(yè)里的比重不斷增加。高純稀土的制備和應(yīng)用不單對稀土產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要，而且在提高綜合國力方面也意義深遠(yuǎn)。在此就高純稀土制備和應(yīng)用的發(fā)展規(guī)劃建議如下，供大家商榷
1. 高純稀土的定義和范圍應(yīng)突破傳統(tǒng)意義的稀土純度，向性能為導(dǎo)向的高純發(fā)展。
稀土元素一族共有17個(gè)之多，因化學(xué)物理性質(zhì)相似，被稱之為僅次于同位素分離的制備過程之一。稀土的發(fā)展初期分離提純異常困難，直接制約了稀土的應(yīng)用和發(fā)展。隨著離子交換和溶劑萃取的工業(yè)化，大量質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的單一稀土材料進(jìn)入市場，使稀土元素自身的許多內(nèi)稟性能得以顯現(xiàn)，圍繞光電磁的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，被贊譽(yù)以“工業(yè)味精”的美名。傳統(tǒng)意義的高純稀土指稀土純度大于99.9%的稀土化合物或金屬，但這種狹隘的高純稀土定義越來越不適用應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呒兿⊥恋囊�。為深入發(fā)掘稀土元素的本征性質(zhì)，向稀土新功能材料的研究和開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)原料，必須突破傳統(tǒng)分離方法的原理，建立適應(yīng)于功能材料需求的高純和超高純稀土(包括鈧)化合物(>6N)及金屬(>4N)的分離、制備理論和方法，這依然是今后的重要研究內(nèi)容和目標(biāo)之一。必須注重將溶劑萃取法與場致分離、膜分離、超細(xì)纖維樹脂及高效離心分配色層分離等方法相結(jié)合，提高分離效率和選擇性、降低分離過程所帶來的環(huán)境污染，研究適合各種功能材料所需稀土金屬和化合物的物理性質(zhì)及制備方法。同時(shí)建立準(zhǔn)確的超高純稀土的分析方法，弄清痕量雜質(zhì)的存在形式及來源。必須注意到，目前稀土純度99.9-99.9999%的制備方法已經(jīng)工業(yè)化，然而許多應(yīng)用領(lǐng)域并不僅僅追求該單方面指標(biāo)，許多應(yīng)用如PrNd、 TbDy合金等，從稀土純度而言已經(jīng)是混合物了，但這類復(fù)合材料仍對許多特定雜質(zhì)元素有特殊的限制和要求。再比如Ce-Zr復(fù)合氧化物對立方相的純度和比表面積是評價(jià)材料特性的核心指標(biāo)，要求非立方相的雜相盡可能低，諸如此類都不是一個(gè)稀土純度所能解決的問題，因此高純稀土的高純必須以綜合物理化學(xué)性能指標(biāo)而并非單純的稀土純度一概而論。換言之固然稀土純度可以做得很高，可對材料的需求而言無濟(jì)于事。我國在高純稀土的某些局部如稀土純度已經(jīng)趕上和超過了發(fā)達(dá)國家，但許多廣義的高純?nèi)缦嗉兌�、色純度、粒度、比表面積、磁純度等性能和應(yīng)用則差距甚遠(yuǎn)，因而需要高純性能為導(dǎo)向，發(fā)展高純稀土制備和應(yīng)用。
2. 高純稀土的制備方法應(yīng)多樣化，集約、高效和綠色是可持續(xù)發(fā)展的根本出路。
高純稀土的制備有多種方法，工業(yè)化規(guī)模的濕法有溶劑萃取、離子交換、氧化還原或這些方法的結(jié)合等，火法有真空蒸餾、區(qū)域熔煉等。對分離系數(shù)大的邊界元素的分離一般采用溶劑萃取，對分離系數(shù)小的邊界元素則采用溶劑離子交換法，而對于有變價(jià)特性的元素，通過氧化還原反應(yīng)可高效分離和富集，如Ce、Eu、Yb等元素。制備方法多樣化的另一所在是針對用途制備特殊的高純復(fù)合稀土，如PrNd，EuGd，TbDy等，在特定的用途上，一方面避免了分離困難的邊界元素的拆分，使整體分離效率大為提高而降低了成本，另一方面也達(dá)到了應(yīng)用領(lǐng)域所需要的分子尺度的元素均勻混合。高純稀土的制備還需針對某些特定要求的純化過程，如激光晶體的結(jié)晶裝置、催化材料相純化所需的淬火和退火設(shè)備、磁晶各向異性材料的定向生長，激光和等離子機(jī)械加工等。這些裝備的提升對純化本身以及材料的均一性提供了保障。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的模式是保護(hù)資源的公認(rèn)模式，在高純稀土的制備過程實(shí)施集約、高效和綠色是可持續(xù)發(fā)展的根本出路。
3. 高純稀土的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)側(cè)重于光、電、磁和其他新的優(yōu)異性能。
高純稀土在發(fā)光材料領(lǐng)域中占有很大比重，如熒光粉、激光晶體、光纖、光學(xué)玻璃、陶瓷等，豐富多彩的角色集中分為三大類：基質(zhì)(La, Gd, Lu的化合物)、發(fā)光中心(Sc, Ce, Eu, Tb, Dy, Ho, Tm等離子)和敏化劑(Ce, Sm, Tb, Dy等元素)。YAG及其摻雜的激光晶體一族包括(Pr, Nd, Er, Ho, Tm, Lu, Y等的氧化物和氟化物)，高性能光學(xué)玻璃中用到大量的高純稀土(La, Nd, Er, Pr等的化合物)。發(fā)光材料中對許多過渡金屬元素的要求異�？量蹋�?yàn)檫@些雜質(zhì)會形成猝滅中心，微量的猝滅中心就能使發(fā)光效率急劇下降，還會導(dǎo)致光色偏離、光衰奇異、壽命縮減等。半導(dǎo)體、液晶、集成電路、芯片等的化學(xué)機(jī)械平面化材料和刻蝕劑(Ce的化合物)對粒度分布和晶型要求極嚴(yán)，而且過渡金屬雜質(zhì)的含量也會影響在靶材上殘留量，從而改變電導(dǎo)性。醫(yī)學(xué)核磁共振核能反應(yīng)堆中的鏈反應(yīng)控制材料Gd元素會直接影響公眾健康和安全。超磁致伸縮材料和器件中用到的TbDy等高純稀土從民用到國防都有巨大的市場潛力，裝備海軍的大功率聲納系統(tǒng)可探測5000-8000海里的目標(biāo)，微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的磁控精度、頻率、可逆性都有壓電陶瓷等無可比擬的優(yōu)越性。
4. 高純稀土制備和應(yīng)用應(yīng)充分注重配套設(shè)施建設(shè)和政策扶植。
高純稀土制備和應(yīng)用除了稀土本身，對許多配套的基礎(chǔ)設(shè)施也有高純化的要求。如純水，以反滲透為主的純水可基本滿足要求；高純化學(xué)試劑也是保障高純稀土制備和應(yīng)用的要素，設(shè)備的材質(zhì)也會影響高純，因而惰性設(shè)備乃至容器對高純產(chǎn)品非常重要，高純產(chǎn)品整個(gè)制備過程中涉及和相關(guān)的內(nèi)容都會對產(chǎn)品的最終性能產(chǎn)生影響，所以配套設(shè)施是高純稀土制備和應(yīng)用中必須正視而無法回避的方面。分析表征也至關(guān)重要，常規(guī)產(chǎn)品的純度和雜質(zhì)分析ICP-AES和AAS基本能滿足要求，由于高純稀土的雜質(zhì)、雜相非常低，需要分析的信號分辨率更高，靈敏度更靈敏，以區(qū)分目標(biāo)信號和背景及干擾的影響，所以ICP-MS，乃至中子活化分析，和光電磁等物理化學(xué)指標(biāo)的分析檢測也要同步適應(yīng)這種高純化要求。簡而言之，要證明材料或性能已經(jīng)達(dá)到高純目標(biāo)了，或者沒有達(dá)到高純是什么引起的。通訊、交通、人才的配套毋庸質(zhì)疑，沒有便捷的信息溝通、物流和駕御的主體，高純稀土的制備和應(yīng)用也無從談起。高純稀土的制備是應(yīng)用的基礎(chǔ)，高純稀土的應(yīng)用是制備的原動(dòng)力，在稀土應(yīng)用尤其是高純稀土的應(yīng)用方面是需要產(chǎn)業(yè)配套和政策配套，尤其是市場培育的前期，政策的引導(dǎo)和扶持必不可少。
5. 高純稀土的制備和應(yīng)用應(yīng)緊密結(jié)合市場，科學(xué)發(fā)展，避免盲目性。
高純稀土的制備和應(yīng)用應(yīng)分層次進(jìn)行，這表現(xiàn)在即便是高純稀土材料，其市場容量也呈現(xiàn)正態(tài)分布。普通高純和超高純均不應(yīng)成為主流，主流部分一定是相對而言市場定位準(zhǔn)確、性能價(jià)格比最富競爭力的部分。超高純的價(jià)值高，但需求量相對小，普通純度價(jià)格低，同樣不符合品質(zhì)卓越的要求而需求量不大，高純稀土目前產(chǎn)量約占稀土總消費(fèi)量的15%，其產(chǎn)值比例卻高達(dá)45%以上。因此高純稀土要找準(zhǔn)市場定位，對需求要有一個(gè)相對準(zhǔn)確的預(yù)期，避免盲目超前造成高純稀土的浪費(fèi)和新一輪的惡性競爭。另外，各種高純稀土元素的應(yīng)用也應(yīng)參照元素的天然豐度均衡發(fā)展，力爭使所有稀土元素物盡其用，因而目前過剩的稀土元素應(yīng)下大力氣尋求應(yīng)用和市場。
嚴(yán)純?nèi)A、賈江濤
北京大學(xué)稀土材料化學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
1. 高純稀土的定義和范圍應(yīng)突破傳統(tǒng)意義的稀土純度，向性能為導(dǎo)向的高純發(fā)展。
稀土元素一族共有17個(gè)之多，因化學(xué)物理性質(zhì)相似，被稱之為僅次于同位素分離的制備過程之一。稀土的發(fā)展初期分離提純異常困難，直接制約了稀土的應(yīng)用和發(fā)展。隨著離子交換和溶劑萃取的工業(yè)化，大量質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的單一稀土材料進(jìn)入市場，使稀土元素自身的許多內(nèi)稟性能得以顯現(xiàn)，圍繞光電磁的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，被贊譽(yù)以“工業(yè)味精”的美名。傳統(tǒng)意義的高純稀土指稀土純度大于99.9%的稀土化合物或金屬，但這種狹隘的高純稀土定義越來越不適用應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呒兿⊥恋囊�。為深入發(fā)掘稀土元素的本征性質(zhì)，向稀土新功能材料的研究和開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)原料，必須突破傳統(tǒng)分離方法的原理，建立適應(yīng)于功能材料需求的高純和超高純稀土(包括鈧)化合物(>6N)及金屬(>4N)的分離、制備理論和方法，這依然是今后的重要研究內(nèi)容和目標(biāo)之一。必須注重將溶劑萃取法與場致分離、膜分離、超細(xì)纖維樹脂及高效離心分配色層分離等方法相結(jié)合，提高分離效率和選擇性、降低分離過程所帶來的環(huán)境污染，研究適合各種功能材料所需稀土金屬和化合物的物理性質(zhì)及制備方法。同時(shí)建立準(zhǔn)確的超高純稀土的分析方法，弄清痕量雜質(zhì)的存在形式及來源。必須注意到，目前稀土純度99.9-99.9999%的制備方法已經(jīng)工業(yè)化，然而許多應(yīng)用領(lǐng)域并不僅僅追求該單方面指標(biāo)，許多應(yīng)用如PrNd、 TbDy合金等，從稀土純度而言已經(jīng)是混合物了，但這類復(fù)合材料仍對許多特定雜質(zhì)元素有特殊的限制和要求。再比如Ce-Zr復(fù)合氧化物對立方相的純度和比表面積是評價(jià)材料特性的核心指標(biāo)，要求非立方相的雜相盡可能低，諸如此類都不是一個(gè)稀土純度所能解決的問題，因此高純稀土的高純必須以綜合物理化學(xué)性能指標(biāo)而并非單純的稀土純度一概而論。換言之固然稀土純度可以做得很高，可對材料的需求而言無濟(jì)于事。我國在高純稀土的某些局部如稀土純度已經(jīng)趕上和超過了發(fā)達(dá)國家，但許多廣義的高純?nèi)缦嗉兌�、色純度、粒度、比表面積、磁純度等性能和應(yīng)用則差距甚遠(yuǎn)，因而需要高純性能為導(dǎo)向，發(fā)展高純稀土制備和應(yīng)用。
2. 高純稀土的制備方法應(yīng)多樣化，集約、高效和綠色是可持續(xù)發(fā)展的根本出路。
高純稀土的制備有多種方法，工業(yè)化規(guī)模的濕法有溶劑萃取、離子交換、氧化還原或這些方法的結(jié)合等，火法有真空蒸餾、區(qū)域熔煉等。對分離系數(shù)大的邊界元素的分離一般采用溶劑萃取，對分離系數(shù)小的邊界元素則采用溶劑離子交換法，而對于有變價(jià)特性的元素，通過氧化還原反應(yīng)可高效分離和富集，如Ce、Eu、Yb等元素。制備方法多樣化的另一所在是針對用途制備特殊的高純復(fù)合稀土，如PrNd，EuGd，TbDy等，在特定的用途上，一方面避免了分離困難的邊界元素的拆分，使整體分離效率大為提高而降低了成本，另一方面也達(dá)到了應(yīng)用領(lǐng)域所需要的分子尺度的元素均勻混合。高純稀土的制備還需針對某些特定要求的純化過程，如激光晶體的結(jié)晶裝置、催化材料相純化所需的淬火和退火設(shè)備、磁晶各向異性材料的定向生長，激光和等離子機(jī)械加工等。這些裝備的提升對純化本身以及材料的均一性提供了保障。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的模式是保護(hù)資源的公認(rèn)模式，在高純稀土的制備過程實(shí)施集約、高效和綠色是可持續(xù)發(fā)展的根本出路。
3. 高純稀土的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)側(cè)重于光、電、磁和其他新的優(yōu)異性能。
高純稀土在發(fā)光材料領(lǐng)域中占有很大比重，如熒光粉、激光晶體、光纖、光學(xué)玻璃、陶瓷等，豐富多彩的角色集中分為三大類：基質(zhì)(La, Gd, Lu的化合物)、發(fā)光中心(Sc, Ce, Eu, Tb, Dy, Ho, Tm等離子)和敏化劑(Ce, Sm, Tb, Dy等元素)。YAG及其摻雜的激光晶體一族包括(Pr, Nd, Er, Ho, Tm, Lu, Y等的氧化物和氟化物)，高性能光學(xué)玻璃中用到大量的高純稀土(La, Nd, Er, Pr等的化合物)。發(fā)光材料中對許多過渡金屬元素的要求異�？量蹋�?yàn)檫@些雜質(zhì)會形成猝滅中心，微量的猝滅中心就能使發(fā)光效率急劇下降，還會導(dǎo)致光色偏離、光衰奇異、壽命縮減等。半導(dǎo)體、液晶、集成電路、芯片等的化學(xué)機(jī)械平面化材料和刻蝕劑(Ce的化合物)對粒度分布和晶型要求極嚴(yán)，而且過渡金屬雜質(zhì)的含量也會影響在靶材上殘留量，從而改變電導(dǎo)性。醫(yī)學(xué)核磁共振核能反應(yīng)堆中的鏈反應(yīng)控制材料Gd元素會直接影響公眾健康和安全。超磁致伸縮材料和器件中用到的TbDy等高純稀土從民用到國防都有巨大的市場潛力，裝備海軍的大功率聲納系統(tǒng)可探測5000-8000海里的目標(biāo)，微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的磁控精度、頻率、可逆性都有壓電陶瓷等無可比擬的優(yōu)越性。
4. 高純稀土制備和應(yīng)用應(yīng)充分注重配套設(shè)施建設(shè)和政策扶植。
高純稀土制備和應(yīng)用除了稀土本身，對許多配套的基礎(chǔ)設(shè)施也有高純化的要求。如純水，以反滲透為主的純水可基本滿足要求；高純化學(xué)試劑也是保障高純稀土制備和應(yīng)用的要素，設(shè)備的材質(zhì)也會影響高純，因而惰性設(shè)備乃至容器對高純產(chǎn)品非常重要，高純產(chǎn)品整個(gè)制備過程中涉及和相關(guān)的內(nèi)容都會對產(chǎn)品的最終性能產(chǎn)生影響，所以配套設(shè)施是高純稀土制備和應(yīng)用中必須正視而無法回避的方面。分析表征也至關(guān)重要，常規(guī)產(chǎn)品的純度和雜質(zhì)分析ICP-AES和AAS基本能滿足要求，由于高純稀土的雜質(zhì)、雜相非常低，需要分析的信號分辨率更高，靈敏度更靈敏，以區(qū)分目標(biāo)信號和背景及干擾的影響，所以ICP-MS，乃至中子活化分析，和光電磁等物理化學(xué)指標(biāo)的分析檢測也要同步適應(yīng)這種高純化要求。簡而言之，要證明材料或性能已經(jīng)達(dá)到高純目標(biāo)了，或者沒有達(dá)到高純是什么引起的。通訊、交通、人才的配套毋庸質(zhì)疑，沒有便捷的信息溝通、物流和駕御的主體，高純稀土的制備和應(yīng)用也無從談起。高純稀土的制備是應(yīng)用的基礎(chǔ)，高純稀土的應(yīng)用是制備的原動(dòng)力，在稀土應(yīng)用尤其是高純稀土的應(yīng)用方面是需要產(chǎn)業(yè)配套和政策配套，尤其是市場培育的前期，政策的引導(dǎo)和扶持必不可少。
5. 高純稀土的制備和應(yīng)用應(yīng)緊密結(jié)合市場，科學(xué)發(fā)展，避免盲目性。
高純稀土的制備和應(yīng)用應(yīng)分層次進(jìn)行，這表現(xiàn)在即便是高純稀土材料，其市場容量也呈現(xiàn)正態(tài)分布。普通高純和超高純均不應(yīng)成為主流，主流部分一定是相對而言市場定位準(zhǔn)確、性能價(jià)格比最富競爭力的部分。超高純的價(jià)值高，但需求量相對小，普通純度價(jià)格低，同樣不符合品質(zhì)卓越的要求而需求量不大，高純稀土目前產(chǎn)量約占稀土總消費(fèi)量的15%，其產(chǎn)值比例卻高達(dá)45%以上。因此高純稀土要找準(zhǔn)市場定位，對需求要有一個(gè)相對準(zhǔn)確的預(yù)期，避免盲目超前造成高純稀土的浪費(fèi)和新一輪的惡性競爭。另外，各種高純稀土元素的應(yīng)用也應(yīng)參照元素的天然豐度均衡發(fā)展，力爭使所有稀土元素物盡其用，因而目前過剩的稀土元素應(yīng)下大力氣尋求應(yīng)用和市場。
嚴(yán)純?nèi)A、賈江濤
北京大學(xué)稀土材料化學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
