钒的应用研究综述

李鹏 向国洪 王勇军 王会芳 刘雷 李克忠

(1.新奥科技发展有限公司，河北 廊坊 065001； 2.煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊 065001；3.北京友进天瑞新能源技术股份有限公司，北京 100071)

0 引言

现代工业中，90%以上的钒通过钒钛矿及其矿渣通过焙烧、浸出等手段进行提取。其余的钒以化合物的方式存在于铝土矿、磷酸盐矿和含铀砂矿中。其中，钒铁和金属钒主要应用于钢铁冶金和航空航天行业，含钒化合物应用于化工和电池行业。首先，钢铁冶金行业中，少量钒的添加即可有效地提高钢铁的强度、韧性、延展性、耐热和耐磨性等[1]，其占钒总用量的85%[2]。有色冶金行业中，金属钒可用于生产钒钛合金。其次，约有10%的钒应用于化学工业，大部分以化合物或聚合物的形式充当催化剂使用。另外，钒元素作为材料添加剂，可用于硬质合金、磁性、超导及核反应堆材料等。而钒的氧化物及其化合物充当着色剂可有效应用在玻璃和陶瓷工业。最后，作为新型领域，钒还用于生产钒电池、稀土钒、钒纳米和钒薄膜材料等高科技材料。

1 钒在钢铁行业的应用

钒在各个领域中应用广泛，但生产的85%的钒应用在钢铁冶金及其相关领域。所用合金钢中，均能见到钒的踪迹，钒具有多价态，因此可以充当脱氧剂，且钒具有立方体结构，在钢铁中起到骨架作用，强化钢的强度。少量的钒即可有效地细化钢组织和精粒，降低过热敏感性；提高韧性、强度和服役性能；增加淬火钢的回火稳定性[3]。钒在钢中主要以合金形式存在，含钒合金主要包括铁基合金和非铁基合金，而铁基合金占大部分，其中钒铁在铁基合金中用量最大。现阶段，生产出来的钒铁合金有钒硅钙、钒硅铁、钒锰铁、氮化钒铁、钒钛硅等，而非铁基系列的含钒合金主要有钒铝合金、钒碳与钒氮合金等[4]。

2 钒在航天工业的应用

航工航天工业中，钛合金应用非常广泛，通常应用于发动机、太空舱骨架、火箭发动机外壳及蒸汽锅轮机叶片等方面，而金属钒和铝是其中的关键元素。钒铝合金具有良好的延展性、很好的强度、耐腐蚀、轻盈等很多优点，因此，航空航天中90%的合金均为钒铝合金。世界上生产钒铝合金的主要企业包括：美国有色合金公司、战略矿物公司、雷丁合金公司，德国的GFE公司以及俄罗斯的VSMPO公司等。主要生产钒铝65合金，美国雷丁和德国GFE全球份额80%。而国内生产钒铝合金的企业主要包括宝钛、承德天大以及锦州铁合金等，主要生产钒铝55合金，大多数产品为民用[5]。目前，国际航空航天中以钒铝65合金最为广泛，与传统钒铝55合金相比，有害杂质低，氧化膜和氮化膜少，成分均匀性更优。

3 钒在化工行业(催化剂)的应用

化工及相关行业中，钒基催化剂是非常重要的氧化催化剂，其催化机理是基于钒的配位作用。硫酸工业生产中，V2O5是重要的二氧化硫氧化的钒系固体催化剂；通过在活性炭中填充五氧化二钒，可有效提高脱除烟气中的硫氮氧化物；五氧化二钒亦可以用作有机物(如顺酐和苯酐等)氧化反应的催化剂[6]；聚合反应是将简单化合物转变为高聚化合物，钒可作为聚合反应催化剂，催化聚合产生无规交替共聚物，也可得到乙烯和丙烯单元均匀分布的乙丙橡胶[7]。另外，钒系催化剂还用于烷基化反应、氨化反应、氧化脱氢反应及醋酸生产等方面[8]。目前，工业钒系催化剂中，1/3用于硫酸生产，1/3用于乙丙橡胶合成，其余主要用于顺酐和苯酐生产、选择性催化还原(SCR)氮氧化物等[9]。用于氨合成方面的钒基催化剂大部分处于实验室研发阶段，中国科学院已开发了一种钒基氨合成与氨分解催化剂[10]。

4 钒在电池方面的应用

钒电池(全钒氧化还原液流电池)是一种高效储能和高效输出的装置应用前景广泛，受到了世界各国科研人员的关注和深入研究，并建立了许多商业示范装置。国际上，加拿大VRB Power Systems公司于2003年和2001年先后建造200kW/800kW·h和250kW/2MW·h的全钒液流储能电池系统。另外，日本住友电工公司与2005年和2012年先后建造4MW/6MW·h和1MW/5MW·h全钒液流电池储能系统示范项目。在我国，钒电池研发公司主要包括北京普能、北京金能燃料电池、上海林洋储能、南京国电南瑞和大连融科储能等高科技公司[11]。另外，中国科学院大连化学物理研究所于2006年成功研发10kW全钒液流电池系统。

锂离子电池具有储能大和循环次数高等优良特性。但是，制备锂离子电池的材料技术不成熟，成本高、低温下电池放电效率差等缺点，制约了电池整体性能和真正商业化的发展。根据锂离子电池正极材料分类，主要包括锂镍、锂锰和锂钴氧化物电池。其中，锂镍氧化物电池制备工艺复杂，锂锰氧化物电池循环次数差，锂钴氧化物电池制备价格昂贵，限制了其大规模商业化。而钒系正极材料比容量高，制备成锂电池可实现高存放电，且价格相对低廉。

5 钒在材料领域的应用

稀土钒酸盐材料与其他材料有很大的不同，表现在光催化活性、易导电光气敏感性和磁性等性能。原因在于其特殊的原子结构(d电子和f电子结构)，较大的原子磁矩和较强的自旋轨道等特性。因此，应用领域广泛，包括发光材料、光催化剂材料、化学传感材料和介电材料等。例如，发光材料中，YVO4因其性能优异，制备成本相对低廉，已早早实现了工业化。利用稀土钒酸盐材料制成的光催化剂，可以在温和的条件下将含氯挥发有机物进行有效降解。

传统上，氢气只能使用气瓶和液态方式进行贮存，但存在安全性差、能耗高、贮存量少、成本高等缺点。作为一种新型能源材料，钒基固溶体贮氢合金可在较温和条件下，高效吸放氢气，且贮氢量大，约本身体积的1000倍[12]。因此，可广泛应用于贮氢和输送氢，在未来的氢能源汽车等方面应用前景广阔。

作为一种热敏功能材料，VO2具有很好的相变性质。由于其特殊的性能，应用范围广泛，主要包括光器件、光存储、光电设备、智能玻璃等方面。由VO2制成的薄膜，具有体积小、质量轻，且造价低廉等优点而大量应用[13-15]。作为太阳能控制材料，低温下可以透过红外辐射而高温下具有阻挡高辐射的能力，可有效改善室内温度。由于此材料电阻率对热辐射敏感，因此，可制成热敏电阻材料，如火灾报警器。且VO2薄膜其独特的相变性质，因此，可制成光盘介质材料。

众所周知，纳米材料是尺寸1～100nm粒子材料。研究发现，纳米钒材料有着其他纳米材料无法替代的地位，在光学数据存储、光原件、光热开关、传感器等领域有广阔的应用场景。其中，VO2、V2O3和V2O5和复合钒纳米材料研究较多[16]。

6 钒在其他领域的应用

另外，在医学方面、颜料领域(玻璃与陶瓷着色)、核反应堆钒合金材料等多个领域，钒有着无法替代的作用。

医学方面，钒元素在人体的新陈代谢中至关重要。生物学中钒元素以四价和五价为主。钒在牙齿发育中起着不可替代的作用。且钒可以促进糖的代谢，促进血红细胞生长。其中，在降糖领域的研究尤为活跃[17]，钒具有良好的类胰岛素作用，还可保护胰岛细胞，降低体内血糖。成本上，钒具有合成相对容易、价格较低廉的优势，例如，长春医药集团已经发出一种含钒化合物的新药—连麦氧钒胶囊，已经推向市场，降糖效果显著[18]。

在颜料领域，钒主要用于制备铋黄及钒锆蓝颜料。铋黄无毒且色泽良好，是传统铬黄、镉黄等有毒颜料的理想替代品，因此，铋黄颜料有着广泛的市场前景，尤其钒锆蓝颜料在陶瓷业中应用较多。另外，印刷油墨离不开氧化物钒和偏钒酸盐钒，例如，利用偏钒酸镭，可生产快干油墨。因为钒对苯胺有氧化作用，因此可生产黑色颜料。

在核反应堆材料上，作为聚变反应器的覆盖和屏蔽墙，离不开钒基合金。其优点是其他材料的无可替代性，包括中子俘获面积小，抗腐蚀，高温蠕变强度好等优点。且用于热核反应堆的包套材料，要求具有高温机械强度，可抵抗辐射引起的膨胀、易脆问题以及与氢、锂各种冷却剂的兼容性良好。例如：美、德等国开发的V15Cr5Ti和V3Cr1Si两种合金，具有高传导性和低膨胀系数等优点。

7 结语

现阶段，钒的主要用途是生产各种钒钢铁，包括硅钒铁、氮化钒铁、钒锰铁等，其具有强度高、韧性大、耐磨性等优点，使用量占总消耗量的85%。主要应用在汽车、建筑、桥梁、机械和国防等各个方面。但目前钒钢中使用量最多的当属碳素钢。钛合金中，钒作为稳定和强化剂使用，可以很好地增加钛合金的延展和可塑性，广泛用于航空航天领域。我国在生产高级钒钛合金的技术有待提高，且随着航天事业的大力发展，高级钒钛合金钢需求量会大度增加。化学工业中，钒作为催化剂和着色剂的作用会更加显著。此外，在原子能、超导材料、电子工业方面，由于金属钒耐腐蚀、易加工和良好相变等优点，被广泛使用。最后，随着未来技术的不断发展，钒作为蓄电池，其使用量会飞速增长。