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中國稀土2019年度十大科技新聞
發布:lee_9124   時間:2020/1/22 14:20:48   閱讀:103 
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2019年,在國家高度重視稀土產業發展、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。為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,從北京高壓科學研究中心獲悉,該中心丁陽研究員帶領團隊選取代表性的元素鈰(Ce)作為研究對象,借助高壓非彈性共振X射線散射技術直接研究鈰金屬,取得新突破。相關研究成果近期發表于國際知名的核心期刊《物理化學快報》(Journal of Physical Chemistry Letters)上。
 
據介紹,他們成功探測到了鈰的未占據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,為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。
 
 
 
二.稀土金屬的新應用:從氮氣直接合成含氮有機物
 
目前幾乎所有人工合成的含氮有機化合物都需要經過工業合成氨(NH3)。而傳統的工業合成氨過程(Haber-Bosch Process)條件極其苛刻。據推算年耗能占全球能耗的2%左右,需消耗約25%的化石資源,并且產生大量溫室氣體。因此,將氮氣直接、高效、溫和地轉化為含氮有機化合物,而不經過NH3, 是解決以上問題的重要途徑之一。
 
席振峰/張文雄課題組實現了由稀土金屬鈧(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。
 
 
 
稀土金屬鈧(Sc)使氮氣直接轉化為含氮有機化合物
 
三. 自主開發新一代稀土儲氫合金材料
 
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,包頭稀土研究院儲氫材料研發團隊發現釔(Y)元素能夠抑制二元La-Ni合金的氫致非晶化,自主開發了新一代高容量La-Y-Ni系儲氫合金材料,同時解決了前兩代儲氫合金產品存在的主要問題。截至2019年,已經分別獲得中國、日本、美國發明專利授權,在Int.J.Hydrogen Energy期刊連續發表了3篇研究論文,引起了本領域研發人員的關注。稀土儲氫合金材料體系的創新使我國在該領域從“跟跑”狀態進入“并跑”階段,通過快速推進基礎研究與產業開發工作,期望形成“引領”態勢。
 
 
 
四.新型高效稀土二氧化鈰復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巖研究員在張洪杰院士的指導下,以催化材料的構效關系為研究重點,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鈰作為載體的復合催化材料,取得了一系列創新性研究成果。
 
稀土二氧化鈰封裝貴金屬復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。為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鈰/非貴金屬復合催化材料的研究,并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,并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。
 
 
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”聯合資助優秀博士后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。
 
該稀土納米熒光探針通過靶向上皮腫瘤細胞表面高度表達的表皮細胞粘附分子(EpCAM)實現對CTC的特異性高效識別。借助稀土納米粒子(NaEuF4)的溶解增強熒光放大技術和長壽命的銪離子配合物紅光熒光信號,該稀土納米探針可有效克服復雜血液樣品中短壽命背景熒光信號的干擾,極大地提高了CTC檢測的靈敏度,其檢測限低至1 CTC/well。同時,該檢測策略具有優異的檢測特異性和實用性。基于該檢測策略,研究團隊對不同臨床分期的乳腺癌患者進行血液CTC水平分析,可實現93.9%的癌癥陽性檢出率(14/15),并且發現CTC檢出水平與乳腺癌患者臨床分期密切相關。該工作為全血中CTC直接檢測研究提供了一個嶄新思路,對實現腫瘤患者的早期診斷和預后監測具有重要意義。
 
 

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
 


a) NaEuF4納米粒子電鏡表征圖;b) 納米粒子在磷酸鹽緩沖液與增強液中的發射光譜與紫外燈照射下的發光照片;c) MCF-7乳腺癌細胞與納米探針結合前后的流式細胞分析;d)時間分辨熒光信號與CTC濃度的線性關系;e)不同分期乳腺癌患者的血液CTC箱式統計分析圖;f)基于稀土納米探針與商用ISET檢出的CTC水平比較。
 
六.我國科學家揭開白云鄂博稀土富集之謎
 
中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究重點實驗室副研究員楊奎鋒和研究員范宏瑞等,對白云鄂博地區粗粒含礦白云巖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巖一致,Sr-Nd同位素組成與碳酸巖脈相近,磷灰石的Sm-Nd等時線年齡也與鈣質碳酸巖脈中獨居石的Th-Pb年齡相符。結合粗粒白云巖的主量元素組成,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巖包裹體,可以確定粗粒含礦白云巖為鎂質巖漿碳酸巖。
 
白云鄂博地區的巖漿碳酸巖包括鐵質、鎂質、鈣質三種類型,依據不同類型碳酸巖脈間的穿插關系、碳酸巖脈的似斑狀結構,以及碳酸巖脈狀中白云石、方解石礦物的核邊結構,可以判斷,碳酸巖具有從鐵質,到鎂質,再到鈣質的演化趨勢。伴隨碳酸巖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,碳酸巖脈的全鐵與稀土含量呈明顯的負相關關系,碳酸巖脈中白云石和方解石礦物的核部更富鐵,而邊部更富稀土。鐵質在碳酸巖漿分異演化中的逐步分離很有可能是造成稀土元素在晚期巖漿中富集的關鍵控制因素。
 
全球共發育527處巖漿碳酸巖,其中僅有5%為鐵質碳酸巖,而白云鄂博是少有的能夠從鐵質碳酸巖演化到鈣質碳酸巖的實例。強烈的碳酸巖漿分異演化過程是白云鄂博巨量稀土元素富集的關鍵控制因素。 


 
白云鄂博粗粒白云巖磷灰石原位Sr-Nd-O同位素組成及鈣質碳酸巖獨居石Th-Pb年齡



白云鄂博碳酸巖脈及碳酸巖脈中白云石、方解石礦物的鐵及稀土含量關系圖
 


白云鄂博碳酸巖漿演化與稀土富集過程模式圖
 
七.高性能燒結釤鈷永磁材料研究技術取得突破
 
中國科學院寧波材料所稀土永磁研究團隊在燒結釤鈷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型釤鈷合金的吸氫能力,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、方形度為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并提升精密度,相關技術獲得寧波市科技進步一等獎。高性能釤鈷磁體的開發豐富了我國釤鈷磁體的產品結構,將為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、帶動產業創新升級、培育新興產業集群具有重要意義。
 
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. 高純稀土金屬、合金靶材及其制備技術取得重要進展
 
高純稀土金屬及合金靶材作為濺射薄膜材料已成為眾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,為高新技術產業創新提供重要支撐。但是我國稀土金屬及靶材生產技術、設備相對落后,產品檔次低,相關高端應用市場及核心技術被國外掌握。
 
有研科技集團有限公司、有研稀土新材料股份有限公司聯合開發的“高純稀土金屬、合金靶材及其制備技術”獲得2019年中國有色金屬工業科學技術獎一等獎。本項目為滿足我國高新技術產業對高端稀土金屬、合金靶材的迫切需求,突破了電子信息等用稀土靶材產品及相關共性關鍵技術,自主開發出稀土金屬和靶材產業化制備技術及多臺套專用生產裝備。自主研發的電子信息用釔、鉺、鑭、釓、鈧靶材及OLED用高純鐿蒸發料,純度大于4N,60種雜質元素總量小于100 ppm,其中,高純鐿蒸發料產品已在國內多個OLED廠家實現應用;開發的高鈧含量(Sc>20%)鋁鈧合金靶材產品,純度≥3N5;高性能稀土永磁用鋱、鏑靶材實現規模生產,國內外市場占有率超過85%。高純稀土金屬及合金靶材的國產化制備,為國產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,突破了關鍵材料產業技術的“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。
 
稀土材料作為電子材料領域的“軟黃金”, 可有效防止介質陶瓷的電氣性能老化,顯著提升電子元器件的可靠性。特別是在高端電子材料運用中對稀土材料的各項性能有較高的要求,付振曉研究團隊一直致力于電子材料稀土摻雜改性的研究,在材料改性技術方面進行突破,其研究成果對提升產品性能有顯著的作用,有助于解決行業“卡脖子”問題。
 
目前風華高科已基本實現稀土應用國產化,降低了生產成本,規避高端稀土材料的進口風險。所制備的MLCC產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,使產品在高端領域占據一席之地。
 




來源:中國稀土網站
 
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