在鋼鐵、有色冶金、化工、電子、儲能、醫(yī)藥和航天航空等諸多國民經(jīng)濟領域有著廣泛的應用。人類認識釩距今也不過200余年，我國是全球釩資源儲存、生產(chǎn)和消費的第一大國，在實現(xiàn)釩資源高效利用的同時，釩在綠色能源領域發(fā)揮著越來越重要的作用。本文對釩的來源途徑、釩及釩合金在國民經(jīng)濟領域的應用做了介紹，并簡要展望了釩科技未來發(fā)展方向。隨著我國提出建設民航強國戰(zhàn)略構想以及“嫦娥計劃”、“核電規(guī)劃”等一系列高科技項目的實施，高端釩基新材料的應用前景將十分廣闊。
釩是人及其他動物不可或缺的生命微量元素，是一種重要的稀有金屬元素，同時因其在工業(yè)領域的重要作用，又有“金屬維生素”、“現(xiàn)代工業(yè)味精”、“化學面包”之稱。人類社會進入21世紀，全球釩產(chǎn)量（以V2O5計）已從2000年的7.87萬t增長到2023年的22.26萬t，同期釩消耗量從2000年的6.92萬t增長到2023年的20.08萬t。在“碳中和”、“碳減排”的大背景下，釩在太陽能光熱轉換、新型稀土光源、儲氫金屬材料及全釩液流儲能電池等節(jié)能領域均得到了更多應用，釩已經(jīng)成為具有綠色價值的金屬，正式進入綠色“能源”金屬的序列。構建能源“源–儲–用”全鏈條高效轉化和利用系統(tǒng)是推動社會高速、高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的必要選擇，釩在“源–儲–用”三者的協(xié)調(diào)匹配中將發(fā)揮越來越重要的作用。
釩的來源途徑
1.1 認識釩
人類認識釩距今也不過200余年。1801年墨西哥城的礦物學家節(jié)烈里瓦在釩酸鉛礦石中發(fā)現(xiàn)了一種未知紅色粉末，然而在進一步研究時卻誤認為該粉末是一種被污染的鉻礦石。直到1830年，瑞典化學家塞夫斯特倫在被酸溶解后的鐵礦殘渣中再次發(fā)現(xiàn)了釩。1869年英國化學家亨利·羅斯科用氫氣還原二氧化釩，人類才第一次制取純凈的金屬釩。科學家?guī)捉?jīng)“敲門”最終發(fā)現(xiàn)了釩，與古希臘神話美麗女神“凡娜迪絲”（Vanadis）的愛情故事相似，釩的化合物五顏六色、絢麗多彩，因此科學家將“凡娜迪絲”（Vanadis）這位美麗女神的名字賦予了它。
1.2 “釩”與“礬”的區(qū)別
早在高熵陶瓷的概念提出之前，多元化的成分設計釩”與“礬”同音不同義，日常生活中，人們?nèi)菀讓⑵浠煜鋵嵍咄耆煌ｂC是一種擁有高熔點和高沸點的銀灰色金屬，同時還具備無磁性和質(zhì)地堅硬的特點。釩在元素周期表中位于第四周期第五副族，屬于第一排過渡族金屬，在自然界中存在0、+2、+3、+4、+5多種價態(tài)。礬在中國古代寫作“燔”，意為一種通過焚燒得到的產(chǎn)物，是一種具有玻璃質(zhì)狀態(tài)表面或光澤的硫酸鹽水合物。主要分白礬（又稱明礬）、綠礬（又名青礬）、黃礬和膽礬等，在古代主要用于醫(yī)藥、方術、染色、凈水、食品加工等用途。
1.3 釩資源的分布
釩在自然界主要賦存于釩鈦磁鐵礦、磷酸鹽巖、含鈾砂巖和粉砂巖礦床中，至今尚未發(fā)現(xiàn)獨立存在的釩礦物。據(jù)相關統(tǒng)計資料，2022年世界釩礦基礎儲量總計2556.5萬t，中國釩礦基礎儲量占據(jù)世界第一，占比37.2%，世界各國釩礦儲量分布見圖1。中國釩資源主要賦存于釩鈦磁鐵礦和含釩石煤中，我國釩鈦磁鐵礦資源主要產(chǎn)區(qū)分布在四川和河北，石煤資源主要分布在陜西、河南、甘肅、湖北和湖南等地。
2.3 儲能“銀行”
全釩氧化還原液流電池，簡稱釩電池（Vanadium redox battery, VRB）由澳大利亞Skyllas-Kazacos在1985年首次提出，國內(nèi)中科院大連化學物理研究所從2005年開始VRB的研究。釩電池儲能系統(tǒng)由正、負極碳電極，正、負極電解液儲能罐，離子交換膜組件等構成，其示意圖如圖5所示。釩電池具有可瞬間充電、大功率、大容量、安全性高等優(yōu)點，能解決大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)需要、合理配置儲能系統(tǒng)，滿足大容量電能的存儲和轉換對儲能電池的特殊需求。因而釩電池“當仁不讓”地成為新能源儲能、電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源等領域的首選，被形象的稱為儲能“銀行”。據(jù)《中國釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書（2022年）》預計，2025年釩電池新增規(guī)模將達到2.3 GW，2030年將達到4.5 GW，當年新增市場規(guī)模約405億元。
圖5 全釩氧化還原液流電池結構示意圖
2.4 “化學面包”——釩系催化劑
催化劑是指本身不參與化學反應，但在其參與下卻可以加速化學反應進行的物質(zhì)。工業(yè)上最早使用昂貴的鉑作為催化劑，1900年德國科學家埃恩首先發(fā)現(xiàn)釩可代替鉑用于生產(chǎn)硫酸，之后釩鹽作為“平民”催化劑得到了廣泛應用。釩系催化劑是工業(yè)上最重要的氧化催化劑之一，常用釩系催化劑的活性組分包括釩的氧化物、氯化物和配合物等多種形式，以V2O5為主要成分的釩系催化劑幾乎對所有的氧化反應均有效。釩系催化劑已廣泛應用在硫酸制備、有機化工原料合成、煙氣脫硫脫氮及環(huán)境催化等工業(yè)領域，因而釩又有“化學面包”之稱。
2.5 生命的微量元素
釩于1876年進入了生命科學的研究領域，研究表明釩是人和動物不可或缺的一種微量元素，缺乏釩會導致生長發(fā)育受阻，死亡率增加，脾臟腫大，蛋白質(zhì)代謝紊亂，紅細胞的滲透性增加。現(xiàn)代醫(yī)學認為釩的生物學功能多種多樣，在糖代謝和膽固醇代謝中都有重要作用。深入研究釩的生物效應機理，發(fā)現(xiàn)釩化合物還具有抗炎作用和抗癌作用，利用高純V2O5研制的相關藥物已用于治療糖尿病。
03結束語我國是全球釩資源儲存、生產(chǎn)和消費的第一大國，釩已被廣泛應用于鋼鐵、化工等領域，但釩資源開采浪費嚴重，高精技術領域如航空航天用釩鋁合金等關鍵技術的研究應用還十分有限，尤其是在非鋼鐵領域的釩材料大規(guī)模工業(yè)化還需要提高。“雙碳”目標下，在儲能領域發(fā)展全釩液流電池產(chǎn)業(yè)已成為釩資源開發(fā)的一個主要方向。未來隨著我國在關鍵材料、高性能電堆、大規(guī)模儲能系統(tǒng)集成等方面的技術性突破，建設民航強國戰(zhàn)略構想的提出，以及“嫦娥計劃”、“核電規(guī)劃”等一系列高科技項目的實施，高端釩基新材料在航空航天裝備、海洋工程裝備、新能源等技術含量高、產(chǎn)業(yè)價值高的領域應用前景將十分廣闊。
