稀土催化材料技術(shù)應(yīng)用方向及趨勢專利分析

劉思德 匡露 趙麗莎/文

包頭稀土研究院 橫琴國際知識產(chǎn)權(quán)交易中心有限公司

1 稀土催化材料概述

由于稀土元素具有獨特的4f 電子層結(jié)構(gòu)，稀土在化學(xué)反應(yīng)中具有良好的助催化性能，在石化、環(huán)境、能源、化工等催化應(yīng)用領(lǐng)域已成為不可或缺的重要組分，并制備出了石油裂化催化劑、移動源（機動車、船舶、農(nóng)用機械等）尾氣凈化催化劑以及固定源（工業(yè)廢氣脫硝、天然氣燃燒、有機廢氣處理等）尾氣凈化催化劑等產(chǎn)品。

目前，稀土催化材料最大的兩個應(yīng)用方向是石油裂化催化劑和機動車尾氣凈化催化劑，包括分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料以及鈰基催化材料等，已在機動車尾氣凈化、石油化工、燃料電池、催化燃燒以及高分子材料無鉛助劑等諸多能源環(huán)境領(lǐng)域得到研發(fā)和應(yīng)用。

稀土元素在催化劑中的主要作用有：1）提高催化劑的儲氧能力；2）提高活性金屬的分散度，改善活性金屬的催化活性；3）降低貴金屬的用量；4）提高催化材料的熱穩(wěn)定性；5）促進(jìn)催化劑晶格氧的遷移，從而提高催化劑的催化活性。

發(fā)展稀土催化材料，可以促進(jìn)高豐度輕稀土元素鑭(La)、鈰(Ce)等的大量使用，有效緩解我國稀土消費失衡，促進(jìn)我國稀土資源高質(zhì)、高效利用，提升能源與環(huán)境技術(shù)發(fā)展，改善人類生存環(huán)境，為我國稀土材料產(chǎn)品具備核心競爭力提供技術(shù)支撐（見圖1）。

圖1 稀土基催化產(chǎn)品

稀土催化材料的產(chǎn)業(yè)鏈，上游產(chǎn)品主要有稀土金屬和稀土氧化物等；中游產(chǎn)品主要有分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料、鈰鋯固溶體催化材料等；下游主要應(yīng)用在石油裂化、汽車尾氣凈化、燃料電池。

工業(yè)凈化等領(lǐng)域

上游產(chǎn)品包括稀土原料、載體、涂層、活性催化劑。

稀土原料：稀土氧化物、稀土金屬、鈰基氧化物。

其他稀土原料

載體包括：蜂窩陶瓷、鐵鉻鋁金屬蜂窩、二氧化鈦等。

涂層：氧化鋁。

活性催化劑：貴金屬、金屬氧化物、鈣鈦礦型復(fù)合金屬氧化物、過渡金屬、其他材料。

中游產(chǎn)品是指稀土催化材料

具體包括鈰基催化材料、載體型催化材料、分子篩催化材料、鈣鈦礦催化材料、稀土及貴金屬催化材料、稀土復(fù)合氧化物催化材料等。

下游是稀土催化材料的應(yīng)用

重點應(yīng)用的領(lǐng)域有：機動車尾氣凈化（汽油車和柴油車）、電廠脫硝/煙氣脫硝、石油催化裂化、合成橡膠等高分子聚合、燃料電池、催化燃燒、工業(yè)廢氣凈化、化工催化等。

2 主要技術(shù)應(yīng)用方向及趨勢

本文用于分析的專利數(shù)據(jù)來源于IncoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，通過不同的關(guān)鍵字和分類號組合進(jìn)行檢索，數(shù)據(jù)公開（公告）時間截至 2022 年 7 月。

全球稀土催化材料專利的技術(shù)構(gòu)成可以分為稀土催化材料的制備方法及應(yīng)用兩大分支，一件稀土材料的專利通常包括制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域。本文僅從應(yīng)用方向的角度對稀土催化材料的專利進(jìn)行劃分。

稀土催化材料的重點應(yīng)用方向包括機動車尾氣凈化（汽油車和柴油車）、電廠脫硝/煙氣脫硝、石油催化裂化、合成橡膠等高分子聚合、燃料電池、催化燃燒、工業(yè)廢氣凈化、化工催化等。全球稀土催化材料的專利技術(shù)分布如圖2 所示。

圖2 稀土催化材料全球?qū)＠饕夹g(shù)應(yīng)用方向?qū)＠植?/p>

在稀土催化材料的應(yīng)用方向上，以化工催化方面的應(yīng)用研究最為廣泛，因此申請的專利最多，共有17916 件專利申請，占比達(dá)到應(yīng)用專利整體的24.21%；其次為機動車尾氣凈化方向，共有15547件專利申請，占比21.00%；合成橡膠等高分子聚合、石油催化裂化，也是較為熱門的研究領(lǐng)域，占比分別為14.15%和8.93%；工業(yè)廢氣凈化、催化燃燒、固體氧化物燃燒電池和煙氣脫硝催化等方向的專利較少。

圖3 為近20 年稀土催化材料全球?qū)＠? 項主要技術(shù)應(yīng)用方向的專利申請趨勢特點，其特點與各技術(shù)的發(fā)展趨勢與動態(tài)密切相關(guān)。

圖3 近20 年稀土催化材料全球?qū)＠骷夹g(shù)分支專利申請趨勢

由圖3 可知，機動車尾氣凈化和化工催化是近20 年研究最為熱門的方向。其中，機動車尾氣凈化的專利申請在2016 年達(dá)到一個高峰后出現(xiàn)了下滑的局面。這一方面可能是因為機動車尾氣凈化領(lǐng)域的催化劑長期由龍頭企業(yè)所壟斷，不太利于該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展；另一方面，有可能是該領(lǐng)域出現(xiàn)了一定的技術(shù)瓶頸需要去突破。我國機動車排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016 年《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》和GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》相繼出臺，我國進(jìn)入國六排放標(biāo)準(zhǔn)新時期，機動車尾氣排放方面的環(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)格，需要新的技術(shù)手段去解決，因此，出現(xiàn)了專利申請下滑的局面。無論如何，機動車尾氣凈化催化劑是非常值得關(guān)注的方向和領(lǐng)域。

近年來，化工催化領(lǐng)域的研究也非常熱門，專利申請量較大，并在2019 年達(dá)到了峰值。合成橡膠等高分子聚合領(lǐng)域和石油催化裂化的專利申請具有一定的波動性，其中2019～ 2021 年合成橡膠等高分子聚合領(lǐng)域出現(xiàn)了專利申請略有下滑的情況，但石油催化裂化領(lǐng)域的專利申請下降較為明顯。近年來，工業(yè)廢氣凈化和煙氣脫硝的專利申請呈增長趨勢，燃料電池和催化燃燒方向的專利申請較為平穩(wěn)。隨著全球愈發(fā)重視節(jié)能減排，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將是碳中和發(fā)展過程中不可避免的難題，而燃料電池能有效緩解該情況。因此，燃料電池市場擴大，燃料電池稀土催化劑關(guān)注度將得到顯著提升。此外，工業(yè)廢氣凈化和煙氣脫硝能有效治理空氣污染，也將是非常重要的研究方向。

經(jīng)過綜合研判，如圖4 所示，稀土催化材料在石油催化裂化、化工催化、合成橡膠領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較長，技術(shù)更為成熟、產(chǎn)業(yè)化程度更高。在機動車尾氣凈化和工業(yè)廢氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用時間相對較短，但是技術(shù)成長性好。自2009 年開始，兩個領(lǐng)域的專利申請量快速增長，已成為當(dāng)前稀土催化材料領(lǐng)域中最為熱門的研究方向。稀土催化材料在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用時間較短，技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化程度相對較低，燃料電池具備發(fā)電效率高、節(jié)約水資源、綠色環(huán)保、易于模塊化組裝、燃料選用范圍廣、適應(yīng)性強等優(yōu)點，是一種具有很高應(yīng)用前景的技術(shù)。

圖4 稀土催化材料技術(shù)發(fā)展趨勢分析

3 結(jié)語

本文對全球稀土催化材料的應(yīng)用方向及發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單分析，希望能為我國稀土催化材料技術(shù)的研發(fā)提供一定參考。建議重點圍繞機動車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化和燃料電池的稀土催化材料加強研發(fā)和專利布局，加強附加值高、市場前景廣的技術(shù)創(chuàng)新及專利保護(hù)，促進(jìn)稀土資源的有效利用，提升我國在稀土催化材料產(chǎn)業(yè)的市場競爭力。