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中國稀土2019年度十大科技新聞

發布時間:2020-01-22來源:新材料在線阅读 > 3254
2019年,在國家高度重視稀土産業發展、高度重視稀土科技進步的良好氛圍下,中國廣大稀土科技工作者攻堅克難、奮力拼搏,在基礎研究、資源利用、技術提升、拓展應用等方面取得顯著成績。爲激勵廣大稀土科技工作者再攀高峰,中國稀土學會信息專業委員會、中國稀土學會技術經濟專業委員會、包頭稀土研究院信息中心、“中國稀土”網站聯合梳理2019年度稀土科技新聞,整理出“中國稀土2019年度十大科技新聞”

一.我國科學家在稀土基礎研究領域取得新突破

由于缺乏對稀有元素電子結構內部信息的直接探測,科學家在解釋稀土材料中體積坍縮現象的理論模型存在很大的爭議,對稀土材料中體積坍縮現象的認識仍然是稀土基礎研究領域一個重要的難題。

2019年12月10日,从北京高压科学研究中心获悉,该中心丁阳研究员带领团队选取代表性的元素铈(Ce)作为研究对象,借助高压非弹性共振X射线散射技术直接研究铈金属,取得新突破。相关研究成果近期发表于国际知名的核心期刊《物理化学快报》(Journal of Physical Chemistry Letters)上。

據介紹,他們成功探測到了铈的未占據4f態在體積坍縮過程中變化。結合理論計算,他們發現4f—5d近藤耦合的微小變化可以很好地描述體積坍縮過程中光譜的重分布,而哈伯德模型中相鄰原子間的雜化作用似乎不大。他們的研究首次提供了實驗證據,爲系統研究稀土材料的體積坍縮現象開辟了一條有希望的新途徑。


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二.稀土金屬的新應用:從氮氣直接合成含氮有機物

目前几乎所有人工合成的含氮有机化合物都需要经过工业合成氨(NH3)。而传统的工业合成氨过程(Haber-Bosch Process)条件极其苛刻。据推算年耗能占全球能耗的2%左右,需消耗约25%的化石资源,并且产生大量温室气体。因此,将氮气直接、高效、温和地转化为含氮有机化合物,而不经过NH3, 是解决以上问题的重要途径之一。

席振峰/張文雄課題組實現了由稀土金屬钪(Sc)促進的,直接由氮氣、MeOTf和親電試劑等有機底物反應高效合成肼衍生物的過程。該工作首次實現了稀土金屬促進的從氮氣直接合成含氮有機化合物。稀土金屬對于我國的發展具有特別的重要意義,該工作對于稀土金屬的高效利用展示了一個新途徑。

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稀土金屬钪(Sc)使氮氣直接轉化爲含氮有機化合物
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三. 自主开发新一代稀土储氢合金材料

發展高效、零排放的氫能技術是21世紀包括中國在內的全球重大戰略需求,稀土儲氫合金是發展氫能技術的重要材料。應用儲氫合金材料制造的鎳氫(MH/Ni)電池、固/H2儲氫系統可廣泛用于節能與新能源(混合動力、純電動、燃料電池動力)汽車、智能電網儲能調峰、通信基站備用電源以及各種便攜式電器設備。

2014年,包头稀土研究院储氢材料研发团队发现钇(Y)元素能够抑制二元La-Ni合金的氢致非晶化,自主开发了新一代高容量La-Y-Ni系储氢合金材料,同时解决了前两代储氢合金产品存在的主要问题。截至2019年,已经分别获得中国、日本、美国发明专利授权,在Int.J.Hydrogen Energy期刊连续发表了3篇研究论文,引起了本领域研发人员的关注。稀土储氢合金材料体系的创新使我国在该领域从“跟跑”状态进入“并跑”阶段,通过快速推进基础研究与产业开发工作,期望形成“引领”态势。

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四.新型高效稀土二氧化铈複合催化材料取得創新性研究成果

中國科學院長春應用化學研究所稀土資源利用國家重點實驗室宋術岩研究員在張洪傑院士的指導下,以催化材料的構效關系爲研究重點,開發和拓展了多種制備催化材料的化學合成方法和技術,制備了系列高性能二氧化铈作爲載體的複合催化材料,取得了一系列創新性研究成果。

稀土二氧化铈封裝貴金屬複合催化材料既可以利用CeO2?載體錨定貴金屬粒子增強穩定性,又可以利用載體與貴金屬的強相互作用增強活性,提高了其在高效催化等領域的應用。爲了全面擺脫催化劑對貴金屬的依賴,研究團隊也開展了二氧化铈/非貴金屬複合催化材料的研究,並系統總結了非貴金屬CeO2基混合氧化物納米催化材料的合成和催化應用方面最新進展。從CeO2基非貴金屬混合氧化物催化材料的合成方法、形貌及結構調控及其在在催化反應中的應用出發,介紹了CeO2基非貴金屬混合氧化物催化材料的研究進展,並提出了該系列催化材料目前所面臨的挑戰,展望了該領域的發展前景。該系列工作有利于指導新型高效稀土基催化材料的設計合成及應用,對于稀土資源平衡利用也具有重要的社會意義及經濟價值。

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五.稀土納米探針實現全血中循環腫瘤細胞直接檢測

中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室陳卓團隊和中科院功能納米結構設計與組裝重點實驗室陳學元團隊合作,在國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院創新國際團隊以及福建省引進高層次創業創新人才項目等資助下,支持“率先行動”聯合資助優秀博士後項目獲得者宋曉榮和郭晗晗等利用時間分辨稀土納米熒光探針首次實現了全血中CTC的高靈敏直接檢測。

该稀土纳米荧光探针通过靶向上皮肿瘤细胞表面高度表达的表皮细胞粘附分子(EpCAM)实现对CTC的特异性高效识别。借助稀土纳米粒子(NaEuF4)的溶解增强荧光放大技术和长寿命的铕离子配合物红光荧光信号,该稀土纳米探针可有效克服复杂血液样品中短寿命背景荧光信号的干扰,极大地提高了CTC检测的灵敏度,其检测限低至1 CTC/well。同时,该检测策略具有优异的检测特异性和实用性。基于该检测策略,研究团队对不同临床分期的乳腺癌患者进行血液CTC水平分析,可实现93.9%的癌症阳性检出率(14/15),并且发现CTC检出水平与乳腺癌患者临床分期密切相关。该工作为全血中CTC直接检测研究提供了一个崭新思路,对实现肿瘤患者的早期诊断和预后监测具有重要意义。


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基于時間分辨稀土納米熒光探針實現全血中CTC高靈敏時間檢測示意圖

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a) NaEuF4纳米粒子电镜表征图;b) 纳米粒子在磷酸盐缓冲液与增强液中的发射光谱与紫外灯照射下的发光照片;c) MCF-7乳腺癌细胞与纳米探针结合前后的流式细胞分析;d)时间分辨荧光信号与CTC浓度的线性关系;e)不同分期乳腺癌患者的血液CTC箱式统计分析图;f)基于稀土纳米探针与商用ISET检出的CTC水平比较。


六.我國科學家揭開白雲鄂博稀土富集之謎

中國科學院地質與地球物理研究所礦産資源研究重點實驗室副研究員楊奎鋒和研究員範宏瑞等,對白雲鄂博地區粗粒含礦白雲岩中的磷灰石進行原位Sr-Nd-O同位素分析。磷灰石的O同位素組成與地幔來源碳酸岩一致,Sr-Nd同位素組成與碳酸岩脈相近,磷灰石的Sm-Nd等時線年齡也與鈣質碳酸岩脈中獨居石的Th-Pb年齡相符。結合粗粒白雲岩的主量元素組成,以及磷灰石中共生的自形燒綠石礦物包裹體和球狀初始碳酸鹽岩包裹體,可以確定粗粒含礦白雲岩爲鎂質岩漿碳酸岩。

白雲鄂博地區的岩漿碳酸岩包括鐵質、鎂質、鈣質三種類型,依據不同類型碳酸岩脈間的穿插關系、碳酸岩脈的似斑狀結構,以及碳酸岩脈狀中白雲石、方解石礦物的核邊結構,可以判斷,碳酸岩具有從鐵質,到鎂質,再到鈣質的演化趨勢。伴隨碳酸岩漿由早期的鐵質向晚期的鈣質逐步演化,其稀土元素含量,尤其是輕稀土元素含量呈明顯的富集趨勢。而且,碳酸岩脈的全鐵與稀土含量呈明顯的負相關關系,碳酸岩脈中白雲石和方解石礦物的核部更富鐵,而邊部更富稀土。鐵質在碳酸岩漿分愌莼械闹鸩椒蛛x很有可能是造成稀土元素在晚期岩漿中富集的關鍵控制因素。

全球共發育527處岩漿碳酸岩,其中僅有5%爲鐵質碳酸岩,而白雲鄂博是少有的能夠從鐵質碳酸岩演化到鈣質碳酸岩的實例。強烈的碳酸岩漿分愌莼^程是白雲鄂博巨量稀土元素富集的關鍵控制因素。

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白雲鄂博粗粒白雲岩磷灰石原位Sr-Nd-O同位素組成及鈣質碳酸岩獨居石Th-Pb年齡

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白雲鄂博碳酸岩脈及碳酸岩脈中白雲石、方解石礦物的鐵及稀土含量關系圖

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白雲鄂博碳酸岩漿演化與稀土富集過程模式圖

七.高性能燒結钐钴永磁材料研究技術取得突破

中國科學院甯波材料所稀土永磁研究團隊在燒結钐钴永磁材料結構及其演變規律深入研究的基礎上,通過引入微量大直徑和低電負性原子顯著提升2:17型钐钴合金的吸氫能力,實現高效率氫破制粉技術突破,制備出粒度均勻且雜質含量極低的高質量磁粉;發展了氧化物晶界富集和磁粉殘余氫燒結等微觀組織結構精細調控技術,實現磁體晶粒尺寸、晶界區域組織和胞狀結構的精細調控,大幅降低了微觀組織缺陷和雜相對磁性能的不利影響;開發出系列高性能磁體,其中磁能積33MGOe以上磁體的矯頑力達到27.8kOe、方形度爲0.62,成功應用于5G微波器件、大功率永磁電機等領域,顯著減小應用器件的體積並提升精密度,相關技術獲得甯波市科技進步一等獎。高性能钐钴磁體的開發豐富了我國钐钴磁體的産品結構,將爲我國高新技術應用領域的發展提供更強的支撐。

八.江西理工大學自主研發的稀土永磁磁懸浮列車成功發車

江西理工大學工程研究院博士余效強介紹,高效智能永磁磁浮軌道交通系統——“虹軌”,是一種新型軌道交通模式。虹軌由江西理工大學于2014年首次提出,2015年獲工信部稀土專項立項支持建設,2016年聯合西南交通大學等單位共同制造完成。虹軌的成功開發對擴大磁性材料應用領域、帶動産業創新升級、培育新興産業集群具有重要意義。
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據介紹,虹軌由稀土永磁懸浮模塊、永磁直線同步電機驅動模塊、智能定位與走行控制模塊、數據傳輸與運行控制模塊、供電模塊、軌道支撐與基礎等六大部分組成,通過運控單元的協調調度實現穩定運行。

九. 高纯稀土金属、合金靶材及其制备技术取得重要进展

高純稀土金屬及合金靶材作爲濺射薄膜材料已成爲衆多稀土功能材料及其器件的關鍵核心材料,廣泛應用于集成電路、新型顯示、移動通訊等高新技術領域,爲高新技術産業創新提供重要支撐。但是我國稀土金屬及靶材生産技術、設備相對落後,産品檔次低,相關高端應用市場及核心技術被國外掌握。

有研科技集团有限公司、有研稀土新材料股份有限公司联合开发的“高纯稀土金属、合金靶材及其制备技术”获得2019年中国有色金属工业科学技术奖一等奖。本项目为满足我国高新技术产业对高端稀土金属、合金靶材的迫切需求,突破了电子信息等用稀土靶材产品及相关共性关键技术,自主开发出稀土金属和靶材产业化制备技术及多台套专用生产装备。自主研发的电子信息用钇、铒、镧、钆、钪靶材及OLED用高纯镱蒸发料,纯度大于4N,60种杂质元素总量小于100 ppm,其中,高纯镱蒸发料产品已在国内多个OLED厂家实现应用;开发的高钪含量(Sc>20%)鋁钪合金靶材産品,純度≥3N5;高性能稀土永磁用铽、镝靶材實現規模生産,國內外市場占有率超過85%。高純稀土金屬及合金靶材的國産化制備,爲國産化芯片及其器件的開發和高性能磁材提供了關鍵原料保障。

十.電子材料稀土摻雜改性研究取得重要突破

廣東風華高新科技股份有限公司新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室主任付振曉帶領技術團隊,通過研究不同配方體系匹配不同種類的稀土元素和用量,及控制稀土元素在芯-殼結構中的占比來調控MLCC的各項電性能及可靠性,突破了關鍵材料産業技術的“瓶頸”,該項技術處于國際先進水平,獲得中國電子學會科技進步一等獎。

稀土材料作为电子材料领域的“软黄金”, 可有效防止介质陶瓷的电气性能老化,显著提升电子元器件的可靠性。特别是在高端电子材料运用中对稀土材料的各项性能有较高的要求,付振晓研究团队一直致力于电子材料稀土掺杂改性的研究,在材料改性技术方面进行突破,其研究成果对提升产品性能有显著的作用,有助于解决行业“卡脖子”问题。

目前風華高科已基本實現稀土應用國産化,降低了生産成本,規避高端稀土材料的進口風險。所制備的MLCC産品能夠滿足對可靠性要求極高的汽車電子領域的運用,逐漸縮小與國外同行的差距,使産品在高端領域占據一席之地。


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