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专题:中国稀土2019年度十大科技新闻

来源:中国稀土网站 日期:2020-01-21 加入收藏
 
  2019年,在国家高度重视稀土产业发展、高度重视稀土科技进步的良好氛围下,中国广大稀土科技工作者攻坚克难、奋力拼搏,在基础研究、资源利用、技术提升、拓展应用等方面取得显著成绩。为激励广大稀土科技工作者再攀高峰,中国稀土学会信息专业委员会、中国稀土学会技术经济专业委员会、包头稀土研究院信息中心、“中国稀土”网站联合梳理2019年度稀土科技新闻,整理出“中国稀土2019年度十大科技新闻”。

  一、我国科学家在稀土基础研究领域取得新突破

  由于缺乏对稀有元素电子结构内部信息的直接探测,科学家在解释稀土材料中体积坍缩现象的理论模型存在很大的争议,对稀土材料中体积坍缩现象的认识仍然是稀土基础研究领域一个重要的难题。

  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。

  据介绍,他们成功探测到了铈的未占据4f态在体积坍缩过程中变化。结合理论计算,他们发现4f—5d近藤耦合的微小变化可以很好地描述体积坍缩过程中光谱的重分布,而哈伯德模型中相邻原子间的杂化作用似乎不大。他们的研究首次提供了实验证据,为系统研究稀土材料的体积坍缩现象开辟了一条有希望的新途径。
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  二.稀土金属的新应用:从氮气直接合成含氮有机物

  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/张文雄课题组实现了由稀土金属钪(Sc)促进的,直接由氮气、MeOTf和亲电试剂等有机底物反应高效合成肼衍生物的过程。该工作首次实现了稀土金属促进的从氮气直接合成含氮有机化合物。稀土金属对于我国的发展具有特别的重要意义,该工作对于稀土金属的高效利用展示了一个新途径。

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稀土金属钪(Sc)使氮气直接转化为含氮有机化合物
 
  三. 自主开发新一代稀土储氢合金材料

  发展高效、零排放的氢能技术是21世纪包括中国在内的全球重大战略需求,稀土储氢合金是发展氢能技术的重要材料。应用储氢合金材料制造的镍氢(MH/Ni)电池、固/H2储氢系统可广泛用于节能与新能源(混合动力、纯电动、燃料电池动力)汽车、智能电网储能调峰、通信基站备用电源以及各种便携式电器设备。

  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复合催化材料取得创新性研究成果

  中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室宋术岩研究员在张洪杰院士的指导下,以催化材料的构效关系为研究重点,开发和拓展了多种制备催化材料的化学合成方法和技术,制备了系列高性能二氧化铈作为载体的复合催化材料,取得了一系列创新性研究成果。

  稀土二氧化铈封装贵金属复合催化材料既可以利用CeO2 载体锚定贵金属粒子增强稳定性,又可以利用载体与贵金属的强相互作用增强活性,提高了其在高效催化等领域的应用。为了全面摆脱催化剂对贵金属的依赖,研究团队也开展了二氧化铈/非贵金属复合催化材料的研究,并系统总结了非贵金属CeO2基混合氧化物纳米催化材料的合成和催化应用方面最新进展。从CeO2基非贵金属混合氧化物催化材料的合成方法、形貌及结构调控及其在在催化反应中的应用出发,介绍了CeO2基非贵金属混合氧化物催化材料的研究进展,并提出了该系列催化材料目前所面临的挑战,展望了该领域的发展前景。该系列工作有利于指导新型高效稀土基催化材料的设计合成及应用,对于稀土资源平衡利用也具有重要的社会意义及经济价值。

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  五.稀土纳米探针实现全血中循环肿瘤细胞直接检测

  中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室陈卓团队和中科院功能纳米结构设计与组装重点实验室陈学元团队合作,在国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中科院创新国际团队以及福建省引进高层次创业创新人才项目等资助下,支持“率先行动”联合资助优秀博士后项目获得者宋晓荣和郭晗晗等利用时间分辨稀土纳米荧光探针首次实现了全血中CTC的高灵敏直接检测。

  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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基于时间分辨稀土纳米荧光探针实现全血中CTC高灵敏时间检测示意图

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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.我国科学家揭开白云鄂博稀土富集之谜

  中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室副研究员杨奎锋和研究员范宏瑞等,对白云鄂博地区粗粒含矿白云岩中的磷灰石进行原位Sr-Nd-O同位素分析。磷灰石的O同位素组成与地幔来源碳酸岩一致,Sr-Nd同位素组成与碳酸岩脉相近,磷灰石的Sm-Nd等时线年龄也与钙质碳酸岩脉中独居石的Th-Pb年龄相符。结合粗粒白云岩的主量元素组成,以及磷灰石中共生的自形烧绿石矿物包裹体和球状初始碳酸盐岩包裹体,可以确定粗粒含矿白云岩为镁质岩浆碳酸岩。

  白云鄂博地区的岩浆碳酸岩包括铁质、镁质、钙质三种类型,依据不同类型碳酸岩脉间的穿插关系、碳酸岩脉的似斑状结构,以及碳酸岩脉状中白云石、方解石矿物的核边结构,可以判断,碳酸岩具有从铁质,到镁质,再到钙质的演化趋势。伴随碳酸岩浆由早期的铁质向晚期的钙质逐步演化,其稀土元素含量,尤其是轻稀土元素含量呈明显的富集趋势。而且,碳酸岩脉的全铁与稀土含量呈明显的负相关关系,碳酸岩脉中白云石和方解石矿物的核部更富铁,而边部更富稀土。铁质在碳酸岩浆分异演化中的逐步分离很有可能是造成稀土元素在晚期岩浆中富集的关键控制因素。

  全球共发育527处岩浆碳酸岩,其中仅有5%为铁质碳酸岩,而白云鄂博是少有的能够从铁质碳酸岩演化到钙质碳酸岩的实例。强烈的碳酸岩浆分异演化过程是白云鄂博巨量稀土元素富集的关键控制因素。 

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白云鄂博粗粒白云岩磷灰石原位Sr-Nd-O同位素组成及钙质碳酸岩独居石Th-Pb年龄

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白云鄂博碳酸岩脉及碳酸岩脉中白云石、方解石矿物的铁及稀土含量关系图

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白云鄂博碳酸岩浆演化与稀土富集过程模式图

  七.高性能烧结钐钴永磁材料研究技术取得突破

  中国科学院宁波材料所稀土永磁研究团队在烧结钐钴永磁材料结构及其演变规律深入研究的基础上,通过引入微量大直径和低电负性原子显著提升2:17型钐钴合金的吸氢能力,实现高效率氢破制粉技术突破,制备出粒度均匀且杂质含量极低的高质量磁粉;发展了氧化物晶界富集和磁粉残余氢烧结等微观组织结构精细调控技术,实现磁体晶粒尺寸、晶界区域组织和胞状结构的精细调控,大幅降低了微观组织缺陷和杂相对磁性能的不利影响;开发出系列高性能磁体,其中磁能积33MGOe以上磁体的矫顽力达到27.8kOe、方形度为0.62,成功应用于5G微波器件、大功率永磁电机等领域,显著减小应用器件的体积并提升精密度,相关技术获得宁波市科技进步一等奖。高性能钐钴磁体的开发丰富了我国钐钴磁体的产品结构,将为我国高新技术应用领域的发展提供更强的支撑。

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  八.江西理工大学自主研发的稀土永磁磁悬浮列车成功发车

  江西理工大学工程研究院博士余效强介绍,高效智能永磁磁浮轨道交通系统——“虹轨”,是一种新型轨道交通模式。虹轨由江西理工大学于2014年首次提出,2015年获工信部稀土专项立项支持建设,2016年联合西南交通大学等单位共同制造完成。虹轨的成功开发对扩大磁性材料应用领域、带动产业创新升级、培育新兴产业集群具有重要意义。
 
  据介绍,虹轨由稀土永磁悬浮模块、永磁直线同步电机驱动模块、智能定位与走行控制模块、数据传输与运行控制模块、供电模块、轨道支撑与基础等六大部分组成,通过运控单元的协调调度实现稳定运行。

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  九. 高纯稀土金属、合金靶材及其制备技术取得重要进展

  高纯稀土金属及合金靶材作为溅射薄膜材料已成为众多稀土功能材料及其器件的关键核心材料,广泛应用于集成电路、新型显示、移动通讯等高新技术领域,为高新技术产业创新提供重要支撑。但是我国稀土金属及靶材生产技术、设备相对落后,产品档次低,相关高端应用市场及核心技术被国外掌握。

  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%)铝钪合金靶材产品,纯度≥3N5;高性能稀土永磁用铽、镝靶材实现规模生产,国内外市场占有率超过85%。高纯稀土金属及合金靶材的国产化制备,为国产化芯片及其器件的开发和高性能磁材提供了关键原料保障。

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  十.电子材料稀土掺杂改性研究取得重要突破

  广东风华高新科技股份有限公司新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室主任付振晓带领技术团队,通过研究不同配方体系匹配不同种类的稀土元素和用量,及控制稀土元素在芯-壳结构中的占比来调控MLCC的各项电性能及可靠性,突破了关键材料产业技术的“瓶颈”,该项技术处于国际先进水平,获得中国电子学会科技进步一等奖。

  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。

  目前风华高科已基本实现稀土应用国产化,降低了生产成本,规避高端稀土材料的进口风险。所制备的MLCC产品能够满足对可靠性要求极高的汽车电子领域的运用,逐渐缩小与国外同行的差距,使产品在高端领域占据一席之地。
  
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