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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。人類認(rèn)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(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)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(shè)民航強國戰(zhàn)略構(gòu)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(yīng)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(lǐng)域的重要作用，又有“金屬維生素”、“現(xiàn)代工業(yè)味精”、“化學(xué)面包”之稱。人類社會進入21世紀(jì)，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(zhuǎn)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(lǐng)域均得到了更多應(yīng)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(gòu)建能源“源–儲–用”全鏈條高效轉(zhuǎn)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(rèn)識釩

人類認(rèn)識釩距今也不過200余年。1801年墨西哥城的礦物學(xué)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(rèn)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(xiàn)了釩。1869年英國化學(xué)家亨利·羅斯科用氫氣還原二氧化釩，人類才第一次制取純凈的金屬釩?？茖W(xué)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(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(qū)別

早在高熵陶瓷的概念提出之前，多元化的成分設(shè)計釩”與“礬”同音不同義，日常生活中，人們?nèi)菀讓⑵浠煜?，其實二者完全不同。釩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(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(xiàn)獨立存在的釩礦物。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，2022年世界釩礦基礎(chǔ)儲量總計2556.5萬t，中國釩礦基礎(chǔ)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(xué)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(gòu)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(zhuǎn)換對儲能電池的特殊需求。因而釩電池“當(dāng)仁不讓”地成為新能源儲能、電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源等領(lǐng)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(yù)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(yīng)，但在其參與下卻可以加速化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)均有效。釩系催化劑已廣泛應(yīng)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。

2.5 生命的微量元素

釩于1876年進入了生命科學(xué)的研究領(lǐng)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(dǎo)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(xué)認(rèn)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(yīng)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(guān)藥物已用于治療糖尿病。

03結(jié)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(yīng)用于鋼鐵、化工等領(lǐng)域，但釩資源開采浪費嚴(yán)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(yīng)用還十分有限，尤其是在非鋼鐵領(lǐng)域的釩材料大規(guī)模工業(yè)化還需要提高。“雙碳”目標(biāo)下，在儲能領(lǐng)域發(fā)展全釩液流電池產(chǎn)業(yè)已成為釩資源開發(fā)的一個主要方向。未來隨著我國在關(guān)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(shù)性突破，建設(shè)民航強國戰(zhàn)略構(gòu)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(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)價值高的領(lǐng)域應(yīng)用前景將十分廣闊。