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23 钒 现代工业的味精元素

投稿作者 漂泊

钒元素是一种非常重要的合金元素,具有许多非常优异的物理、化学性质。它被称为“现代工业的味精”。钒元素在合金制造,钒电池生产以及工业催化中发挥着巨大的作用。五氧化二钒是使用非常广泛的一类工业催化剂,钒液流电池则是目前最具潜力的一种大功率新型电池。

钒的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 50.9414
电子配置 3d34s2
密度 5960kg / m 
熔点 1890°C
沸点 3380°C
形状 银白色金属
丰度 0.016ppm(海水),0.4ppm(太阳)
发现者  Sefstrom.N.G
主要的同位素 50 V,51 V
用途例 钒钢,钒电池,催化剂
前后的元素 钛-钒-铬

钒的发现

1801年,墨西哥矿物学家德尔•里奥在研究矿时,发现了一种化学性质与、铀相似的新元素,其盐类在酸中加热时呈鲜艳的红色,所以被取名为“爱丽特罗尼”,即“红色”的意思,实际上是。这种样品被送到巴黎之后,法国化学家推断它是一种被污染的铬矿石,所以没有被人们公认。1830年,瑞典化学家尼尔斯•格•塞夫斯特姆(Sefstrom.N.G),炼生铁时分离出一种新元素,由于其化合物具有绚丽的颜色,故以希腊神话中美丽女神娃娜迪斯(Vanadis)的名字命名为钒(Vanadium)。同年,德国化学家沃勒尔证明,Vanadium与早期德尔•里奥发现的红色素是同一种元素──钒。1869年英国化学家罗斯科(Roscoe.H.E)用氢气还原二氧化钒,才第一次制得了纯净的金属钒,而且他证明了之前的金属样本其实是氮化钒(VN)。

在发现钒这种金属之后,人们开始慢慢研究它的性质,并开始将它应用到人们的生活当中。1882年,英国列·克鲁佐特钢铁公司用含钒1.1%的炼钢炉渣制得钒的磷酸盐。在19世纪末20世纪初,俄罗斯开始利用碳还原法还原铁和钒氧化物,首次制备出钒铁合金(含V35%~40%)。1902~1903年俄罗斯进行了铝热法制取钒铁的试验。1927年,美国的马尔登和赖奇用金属还原五氧化二钒(V2O5),第一次制得了含钒99.3%~99.8%的可锻性金属钒。19世纪末,研究还发现了钒在钢中能显著改善钢材的机械性能,从而使钒在工业上才得到广泛应用。

钒单质

钒钢

钒是一种非常重要的合金元素,具有众多优异的物理性能和化学性能,有金属维生素之称。钒在钢铁工业中的用量最大,其消耗量占钒生产总量的85%。在钢中加入微量的钒,通过细化钢的组织和晶粒,提高晶粒粗化温度,可以使钢的弹性,强度大增,并提高抗磨损性能。除此之外,在钢中加入钒还可以使钢有更宽的温度使用区间,既耐高温又抗奇寒。钒钢主要用于制造高速切削钢,它比普通钢结构更紧密,韧性、弹性与机械强度更高。用钒钢制成的穿甲弹,能够射穿40厘米厚的钢板。但是,在钢铁工业上,并不是把纯的金属钒加到钢铁中制成钒钢,而是直接采用含钒的铁矿炼成钒钢。最初的钒大多应用于钢铁,起到增加钢的强度、韧性和耐磨性。后来,人们逐渐又发现了钒在钛合金中的优异改良作用,并应用到航空航天领域,从而使得航空航天工业取得了突破性的进展。

各式各样的钒钢制品

钒电池

钒电池是一种绿色环保的蓄电池,在它的制造、使用及废弃过程均不会产生有害物质。它具有特殊的电池结构,比能量高,可深度大电流密度放电,并且充电迅速。这使得钒电池可以用来制作兆瓦级电池组,大功率长时间提供电能,它可以作为大厦、机场等建筑的备用电源,也可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置,还可用于电网调峰等。由于钒电池成本与铅酸电池相近,因此它在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。除此之外,由于钒电池生产工艺简单,价格经济,电性能优异,与制造复杂、价格昂贵的燃料电池相比,无论是在大规模储能还是电动汽车动力电源的应用前景方面,都更具竞争实力。

液流钒电池是将不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中,通过外接泵把电解液泵入电池堆体内,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动,采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应,通过双电极板收集和传导电流,使存储在溶液中的化学能转化为电能。这个可逆的反应过程使钒电池可顺利完成充电、放电和再充电。

钒电池一般具有非常高的效率,由于钒电池的电极催化活性高,且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中,避免了正、负极活性物质的自放电消耗,钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上,远高于铅酸电池的45%。由于钒电池充放电时也无其它电池常有的物相变化,可深度放电而不损伤电池,因此电池使用寿命长。目前商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年,充放循环寿命超过18000次,远远高于固定型铅酸电池的1000次。此外钒电池还具有很高的安全系数,无潜在的爆炸或着火危险,即使将正、负极电解液混合也无危险,只是电解液温度略有升高。具备了这么多优异的性质,可以说钒电池是一种非常出色的新型电池,应用潜力巨大。

钒液流电池结构钒电池模组钒电池实物图

工业催化剂—五氧化二钒

五氧化二钒是钒最常见的一种氧化物,它是一种应用非常广泛的工业催化剂。五氧化二钒是一种两性氧化物,但以酸性为主,700℃以上显着挥发。700~1125℃分解为氧和四氧化二钒,这是一种强氧化剂,易被还原成各种低价氧化物,这些低价氧化物又会被氧气氧化为五氧化二钒,这一特性使它成为许多有机和无机反应的催化剂。在工业生产硫酸当中,最重要的一步就是以五氧化二钒为催化剂,将二氧化硫在氧气存在的条件下氧化成三氧化硫,三氧化硫再用稀硫酸吸收便可获得浓度非常高的浓硫酸。在这一过程当中,实际上就利用到了上述的催化原理。

五氧化二钒除了可以作为非常高效的催化剂,还可用于冶炼钒铁用的合金添加剂,另外,各种无机化学品、化学试剂、搪瓷和磁性材料也是五氧化二钒的一些重要的应用去向。除此之外,纯钒的提炼也是利用五氧化二钒,通过铝热反应或者高温焦炭还原等方式制得的。

五氧化二钒结构五氧化二钒催化剂

参考文献

 

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Peng Li

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