在鋼鐵、有色冶金、化工、電子、儲能、醫藥和航天航空等諸多國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。人類(lèi)認識釩距今也不過(guò)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(shí)現釩資源高效利用的同時(shí)，釩在綠色能源領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。本文對釩的來(lái)源途徑、釩及釩合金在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的應用做了介紹，并簡(jiǎn)要展望了釩科技未來(lái)發(fā)展方向。隨著(zhù)我國提出建設民航強國戰略構想以及“嫦娥計劃”、“核電規劃”等一系列高科技項目的實(shí)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(dòng)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(shí)因其在工業(yè)領(lǐng)域的重要作用，又有“金屬維生素”、“現代工業(yè)味精”、“化學(xué)面包”之稱(chēng)。人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入21世紀，全球釩產(chǎn)量（以V2O5計）已從2000年的7.87萬(wàn)t增長(cháng)到2023年的22.26萬(wàn)t，同期釩消耗量從2000年的6.92萬(wàn)t增長(cháng)到2023年的20.08萬(wàn)t。在“碳中和”、“碳減排”的大背景下，釩在太陽(yáng)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能領(lǐng)域均得到了更多應用，釩已經(jīng)成為具有綠色價(jià)值的金屬，正式進(jìn)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是推動(dòng)社會(huì )高速、高質(zhì)量和可持續發(fā)展的必要選擇，釩在“源–儲–用”三者的協(xié)調匹配中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
釩的來(lái)源途徑
1.1 認識釩
人類(lèi)認識釩距今也不過(guò)200余年。1801年墨西哥城的礦物學(xué)家節烈里瓦在釩酸鉛礦石中發(fā)現了一種未知紅色粉末，然而在進(jìn)一步研究時(shí)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(xué)家塞夫斯特倫在被酸溶解后的鐵礦殘渣中再次發(fā)現了釩。1869年英國化學(xué)家亨利·羅斯科用氫氣還原二氧化釩，人類(lèi)才第一次制取純凈的金屬釩?？茖W(xué)家幾經(jīng)“敲門(mén)”最終發(fā)現了釩，與古希臘神話(huà)美麗女神“凡娜迪絲”（Vanadis）的愛(ài)情故事相似，釩的化合物五顏六色、絢麗多彩，因此科學(xué)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，人們容易將其混淆，其實(shí)二者完全不同。釩是一種擁有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的銀灰色金屬，同時(shí)還具備無(wú)磁性和質(zhì)地堅硬的特點(diǎn)。釩在元素周期表中位于第四周期第五副族，屬于第一排過(guò)渡族金屬，在自然界中存在0、+2、+3、+4、+5多種價(jià)態(tài)。礬在中國古代寫(xiě)作“燔”，意為一種通過(guò)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(chēng)明礬）、綠礬（又名青礬）、黃礬和膽礬等，在古代主要用于醫藥、方術(shù)、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)現獨立存在的釩礦物。據相關(guān)統計資料，2022年世界釩礦基礎儲量總計2556.5萬(wàn)t，中國釩礦基礎儲量占據世界第一，占比37.2%，世界各國釩礦儲量分布見(jiàn)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(jiǎn)稱(chēng)釩電池（Vanadium redox battery, VRB）由澳大利亞Skyllas-Kazacos在1985年首次提出，國內中科院大連化學(xué)物理研究所從2005年開(kāi)始VRB的研究。釩電池儲能系統由正、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(diǎn)，能解決大規模新能源發(fā)電并網(wǎng)需要、合理配置儲能系統，滿(mǎn)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)調峰、備用電源等領(lǐng)域的首選，被形象的稱(chēng)為儲能“銀行”。據《中國釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2022年）》預計，2025年釩電池新增規模將達到2.3 GW，2030年將達到4.5 GW，當年新增市場(chǎng)規模約405億元。
圖5 全釩氧化還原液流電池結構示意圖
2.4 “化學(xué)面包”——釩系催化劑
催化劑是指本身不參與化學(xué)反應，但在其參與下卻可以加速化學(xué)反應進(jìn)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(xué)家埃恩首先發(fā)現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(lǐng)域，因而釩又有“化學(xué)面包”之稱(chēng)。
2.5 生命的微量元素
釩于1876年進(jìn)入了生命科學(xué)的研究領(lǐng)域，研究表明釩是人和動(dòng)物不可或缺的一種微量元素，缺乏釩會(huì )導致生長(cháng)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?，F代醫學(xué)認為釩的生物學(xué)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(guān)藥物已用于治療糖尿病。
03結束語(yǔ)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(lǐng)域，但釩資源開(kāi)采浪費嚴重，高精技術(shù)領(lǐng)域如航空航天用釩鋁合金等關(guān)鍵技術(shù)的研究應用還十分有限，尤其是在非鋼鐵領(lǐng)域的釩材料大規模工業(yè)化還需要提高。“雙碳”目標下，在儲能領(lǐng)域發(fā)展全釩液流電池產(chǎn)業(yè)已成為釩資源開(kāi)發(fā)的一個(gè)主要方向。未來(lái)隨著(zhù)我國在關(guān)鍵材料、高性能電堆、大規模儲能系統集成等方面的技術(shù)性突破，建設民航強國戰略構想的提出，以及“嫦娥計劃”、“核電規劃”等一系列高科技項目的實(shí)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(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)價(jià)值高的領(lǐng)域應用前景將十分廣闊。
