本書基于稀土材料在催化領域的研究進展，系統(tǒng)概述了稀土材料的基本概念、制備方法、表征方法和催化性能，重點論述了稀土材料在石油化工催化、天然氣和煤炭催化燃燒、汽車尾氣催化凈化、工業(yè)廢氣催化凈化、光催化、電催化等多個催化領域的應用和國內外研究現(xiàn)狀。書中內容深入淺出、圖文并茂，讀者通過閱讀本書可以在較短時間內全面了解稀土材料的催化應用，并有助于基于國內外研究進展指導科學研究工作。
本書可供從事稀土材料、催化材料、無機非金屬材料、環(huán)境工程、石油化工、新能源、表面物理與化學等領域的科研人員和技術人員參考，也可供高等學�；瘜W和材料科學等相關專業(yè)的師生參閱。
本書首先概述了稀土資源的分布、元素的表征，然后分章節(jié)介紹稀土材料在各行業(yè)中的催化應用，如石油化工行業(yè)、催化燃燒、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、光催化低溫燃料電池等方面。每類催化應用分別從催化機理、催化劑制備、催化作用等幾方面進行闡述，詳細介紹了稀土材料在催化應用方面近幾年的研究進展。
稀土作為我國最重要的戰(zhàn)略資源之一，因其豐富的光、電、磁和化學等特殊性能，已廣泛應用于現(xiàn)代科學技術的各個領域，諸如信息、自動化、能源環(huán)保、生物和新材料等高新技術領域以及石油化工、農業(yè)、冶金等傳統(tǒng)領域。稀土元素的實際應用始于催化劑，時至今日，稀土材料在催化反應中的應用已是整個稀土材料應用中最為廣泛的領域。以催化材料為核心的催化科學和技術是現(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展的基礎，每一代新型、高效、環(huán)保催化材料的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，都是化學工業(yè)跳躍式發(fā)展的重要驅動力。因此，催化材料的研究一直以來都是化學化工和材料科學研究最熱門的重要領域之一。
稀土元素具有獨特的電子層結構，表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學性質、可變的化學價態(tài)、多樣的配位形式和表面酸位等特點。與傳統(tǒng)催化材料相比，稀土元素不僅自身具有催化活性，而且還可作為添加劑或助催化劑以提高催化性能。稀土催化材料根據組成可分為稀土摻雜催化劑、稀土復合氧化物催化劑、稀土貴金屬催化劑和稀土沸石催化劑等。催化劑中稀土元素的存在可以提高催化劑的機械強度、提高晶格氧的活動能力、提高催化劑儲釋氧能力、提高活性金屬在載體上的分散度、阻礙活性金屬燒結的同時提高催化劑熱穩(wěn)定性等，以上特性均使催化劑性能得到顯著改善。因此，稀土催化材料的應用已涵蓋石油化工催化反應、催化燃燒、汽車尾氣排放控制、工業(yè)廢氣凈化、光催化和電催化等眾多領域，涉及國民經濟和人民生活的方方面面。
當前，我國正處于由長期以來的“高碳型”能源結構向綠色低碳化轉型的關鍵時期。大力開發(fā)稀土在催化材料領域中的應用，進一步提高煤炭等傳統(tǒng)化石能源的清潔高效利用水平，促進新能源材料的開發(fā)，對推動稀土、環(huán)境和新能源等相關高新技術產業(yè)群的跨越式發(fā)展、提升我國在高附加值戰(zhàn)略稀土材料上的國際競爭力、實現(xiàn)社會經濟的可持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的戰(zhàn)略意義。鑒于上述原因，作者集多年教學、科研等經驗，主要針對稀土材料在催化領域的應用和國內外最新研究現(xiàn)狀編寫了此書。本書簡要介紹了稀土在自然界中的存在狀態(tài)、礦物學特征和稀土精準測定分析方法。在此基礎上，通過大量的資料查閱和調研，總結了稀土催化在石油化工、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、人居環(huán)境凈化和電催化等領域的應用，闡述了稀土催化材料在各種催化劑中的存在形式、催化反應機理、主要影響因素及其國內外發(fā)展現(xiàn)狀。本書旨在為從事稀土材料、催化材料、無機非金屬材料、環(huán)境工程、新能源、表面物理與化學等領域的科研人員和技術人員提供參考，也可供高等學�；瘜W和材料科學等相關專業(yè)的師生參閱。
全書分為7章，第1章介紹了稀土材料在自然界中的存在狀態(tài)、基本特征、測定分析方法和稀土材料的催化應用簡介，第2～7章分別闡述了稀土催化材料在催化裂化反應、催化燃燒反應、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、光催化反應和電催化反應中的應用、作用機理和國內外最新研究現(xiàn)狀。本書由南昌航空大學的羅一丹博士和薛名山博士共同撰寫。在本書撰寫過程中，鄭傲峰、韓玉、袁鋒、周東鵬、賈宇、王勇虎、江漢文、程伊參與了部分工作，俞星星、李堅參與了部分修改校對。
本書的出版得益于南昌航空大學科研成果專項資助基金和國家自然科學基金（11864024和51662032）的共同資助，在此致以真摯的謝意。
由于筆者能力有限，書中難免存在疏漏之處，殷切希望廣大專家和讀者朋友給予批評指正。
羅一丹，薛名山
2020年10月
羅一丹，南昌航空大學材料科學與工程學院，講師，作者碩士期間的專業(yè)為物理化學，博士期間的專業(yè)為化學，所在課題組研究方向為無機非金屬材料的催化應用，特別是稀土的催化應用研究較多，包括汽車尾氣處理、工業(yè)脫硝、光催化等。作者具有多年從事催化領域研究的經驗，主要研究領域為納米材料的光催化應用，已發(fā)表SCI論文13篇，其中一作5篇，一區(qū)和二區(qū)論文各兩篇�，F(xiàn)在所教課程為《太陽能電池材料與技術》對于無機非金屬材料的能源方向的應用也比較了解。因此，以《稀土材料的催化應用》為題出版專著，具有相關的專業(yè)基礎和研究背景。
第1章緒論/001
1.1稀土材料簡介001
1.1.1稀土元素的分布002
1.1.2稀土材料的冶煉003
1.1.3稀土元素對環(huán)境和健康的影響004
1.1.4稀土元素的回收006
1.2稀土元素的儀器表征008
1.2.1X射線熒光光譜009
1.2.2激光誘導擊穿光譜009
1.2.3儀器中子活化分析010
1.2.4電感耦合等離子體發(fā)射光譜011
1.2.5微波等離子體原子發(fā)射光譜012
1.2.6電感耦合等離子體質譜012
1.2.7輝光放電質譜014
1.2.8原位分析技術015
1.3稀土材料的催化應用簡介015
1.3.1石油化學工業(yè)的催化裂化應用015
1.3.2天然氣和煤炭的催化燃燒應用017
1.3.3汽車尾氣的催化凈化應用019
1.3.4工業(yè)廢氣的催化凈化應用020
1.3.5光催化應用022
1.3.6電催化應用023
參考文獻023
第2章稀土材料在石油化工中的應用/028
2.1催化裂化工藝028
2.1.1催化裂化概念028
2.1.2催化裂化工藝類型030
2.1.3催化裂化反應機理034
2.1.4催化裂化各種烴的反應過程036
2.2催化裂化催化劑038
2.2.1催化裂化催化劑組成038
2.2.2沸石催化劑040
2.3FCC催化劑中稀土的應用047
2.3.1催化劑失活機理及稀土在污染物金屬鈍化中的應用048
2.3.2稀土對催化裂化催化劑水熱穩(wěn)定性的影響052
2.3.3稀土對沸石酸度的影響054
2.3.4稀土對汽油產量的影響055
2.3.5稀土對催化劑活性的影響056
2.3.6稀土對汽油辛烷值的影響057
參考文獻058
第3章稀土材料在催化燃燒中的應用/061
3.1催化燃燒簡介061
3.2稀土元素對天然氣催化燃燒的影響062
3.2.1天然氣催化燃燒的研究背景062
3.2.2甲烷催化燃燒反應機理063
3.2.3甲烷催化燃燒催化劑種類064
3.2.4含稀土元素的負載貴金屬催化劑對甲烷催化燃燒的影響064
3.2.5含稀土元素的尖晶石對甲烷催化燃燒的影響066
3.2.6含稀土元素的六鋁酸鹽對甲烷催化燃燒的影響067
3.2.7含稀土元素的鈣鈦礦對甲烷催化燃燒的影響072
3.2.8含稀土元素的其他復合氧化物對甲烷催化燃燒的影響076
3.3稀土元素對燃煤催化燃燒的影響077
3.3.1我國燃煤現(xiàn)狀及展望077
3.3.2燃煤催化燃燒的催化機理077
3.3.3稀土元素對燃煤催化燃燒的影響078
參考文獻079
第4章稀土材料在汽車尾氣催化凈化中的應用/082
4.1汽車尾氣簡介082
4.1.1汽車尾氣主要成分及其危害083
4.1.2汽車尾氣處理辦法085
4.2汽車尾氣處理之三效催化劑086
4.2.1催化劑組成086
4.2.2催化反應機理091
4.2.3三效催化劑的基本特性及存在的問題092
4.3稀土元素在三效催化劑中的作用093
4.3.1稀土元素在活性組分中的作用094
4.3.2稀土元素對涂層的影響095
4.3.3稀土元素在助劑中的作用095
參考文獻100
第5章稀土材料在工業(yè)廢氣凈化中的應用/103
5.1工業(yè)廢氣簡介103
5.1.1工業(yè)廢氣的來源103
5.1.2工業(yè)廢氣的分類及危害104
5.2常見工業(yè)廢氣處理辦法110
5.2.1廢氣收集與輸送排放系統(tǒng)111
5.2.2廢氣處理的原理及方法111
5.2.3主要污染物處理技術113
5.3稀土催化在揮發(fā)性有機化合物催化燃燒中的應用124
5.3.1稀土氧化物作為催化劑助劑125
5.3.2稀土氧化物作為催化劑載體126
5.3.3稀土氧化物作為催化劑活性組分127
5.4稀土催化在煙氣同時脫硫脫硝中的應用129
5.5稀土催化在煙氣脫硫中的應用132
5.6稀土催化在低溫NH3-SCR脫硝中的應用134
5.6.1二氧化鈰作為表面負載組分136
5.6.2二氧化鈰作為純載體137
5.6.3鈰基多元復合氧化物催化劑137
5.6.4稀土基催化劑的抗中毒性研究139
5.7稀土催化材料在工業(yè)廢氣中應用總結143
參考文獻145
第6章稀土材料在光催化反應中的應用/150
6.1光催化反應過程150
6.2光催化反應的應用155
6.2.1光催化分解水155
6.2.2光催化降解有機廢棄污染物157
6.2.3光催化CO2還原反應160
6.2.4光催化揮發(fā)性有機化合物處理162
6.3含稀土的光催化劑164
6.3.1稀土摻雜光催化劑164
6.3.2稀土化合物光催化劑178
6.3.3稀土復合光催化劑180
參考文獻186
第7章稀土材料在電催化反應中的應用/190
7.1引言190
7.2稀土及含稀土電催化劑191
7.3含稀土電催化劑在析氫反應中的應用192
7.3.1稀土合金在析氫反應中的應用193
7.3.2含Ce或CeO2的電催化劑在析氫反應中的應用194
7.3.3含稀土鈣鈦礦電催化劑在析氫反應中的應用195
7.3.4其他含稀土電催化劑在析氫反應中的應用196
7.4含稀土電催化劑在析氧反應中的應用197
7.4.1鈰摻雜電催化劑在析氧反應中的應用198
7.4.2與CeO2復合的電催化劑在析氧反應中的應用199
7.4.3含稀土鈣鈦礦電催化劑在析氧反應中的應用200
7.5含稀土電催化劑在氧還原反應中的應用201
7.5.1稀土與鉑的合金電催化劑在氧還原反應中的應用202
7.5.2CeO2促進的貴金屬電催化劑在氧還原反應中的應用203
7.5.3CeO2促進的非貴金屬電催化劑在氧還原反應中的應用203
7.5.4鈰基催化劑在氧還原反應中的應用204
7.5.5含稀土鈣鈦礦電催化劑在氧還原反應中的應用205
7.6含稀土電催化劑在甲醇氧化中的應用205
7.7含稀土電催化劑在其他電化學反應中的應用209
7.8總結210
參考文獻212
附錄常用分析方法符號與縮略語/219
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