稀土元素特殊的性能原理

稀土元素具有十分丰富的光、电、磁、化学等特殊性能, 主要是因为稀土元素原子结构在整个元素周期表中的特殊位置, 具体表现在以下方面:

(1) 内层4f轨道未成对电子多, 电子轨道相互作用较强, 因而决定物质磁性强弱的原子磁矩高。可与3d过渡元素Fe、Co结合形成具有强大磁力的超级永磁、旋磁 (微波) 、旋电 (磁光) 、压磁 (磁致伸缩) 、磁致冷材料和器件。

(2) 4f区元素的电子能级最为丰富, 13种三价稀土离子共有1639个能级, 在这些能级之间, 有199, 177个可能跃迁的数目, 比周期表中所有其它元素电子能级跃迁的数目多1到3个数量级。在稀土元素的199, 177个可能跃迁的能级中, 现只有48个已被用于激光和发光材料, 只占可能跃迁数目的四千分之一。可见有待研究开发的潜力还非常大, 所以稀土元素被认为是新光源、新能源、新磁源等新材料的宝库。

(3) 稀土金属活泼, 几乎可与所有元素发生反应, 易失去外层电子显示其极高的化学活性, 它们的配位数可在3到12的大范围内变化。

稀土元素因为自身优异的化学活性和特性, 常常被用作催化剂的重要助剂, 在部分领域中甚至代替了贵金属, 在环保产业中的应用也十分广泛。与传统的贵金属催化剂相比, 稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺以及性能等方面都具有较强的优势。目前, 稀土催化剂在能源环境领域主要用于汽车尾气净化、有毒有害气体治理、烟气脱硫脱硝、有机废气治理、人居环境净化、催化燃烧等方面, 尤其在废气治理、环境净化方面具有巨大的应用市场和发展潜力, 自20世纪90年代末以来, 稀土催化剂在发达国家的环保催化剂市场中一直以每年20%的速度增长。