严纯华　北京大学化学与分子工程学院教授

非常感谢组委会给我这样一次机会，更加感谢在座的听众，我们的同学，同事，还有领导坚持一天不容易，因为唱戏的轮流转，观众是咬定青山没有放松。今天给大家汇报的是我国稀土科学和产业的机会和挑战，因为在过去的两年里面，稀土从一个元素周期表，或者是从化学家手中的研究对象，变成了一个公众的话题，特别是过去的一年当中，随着我们国家对出口政策和资源管理，以及环保政策的紧缩，导致了稀土已经不仅是一个工业，一个材料，或者是一个科研的命题，成为了一个政治和外交的命题，所以，经常在欧盟，北美，包括我们的邻居日本，他们的政治家来到我国，我们的政治家来到他们的国土，稀土作为非常重要的话题被提起来。由于时间有限我分四个部分进行汇报。

首先是稀土的简介，当我们打开，或者是看到一个元素周期表的时候，我们就会非常清楚的看到这是在圆数周期表的下面的位置，稀土是蓝系原数和Y和L17个元素组成，稀土本身在自然界并不多，但是由于过于分散，往往是共生的形式，所以人们在过去的200多年知道稀土之后，始终是成为一个研究方面的难题。刚才杨振忠研究员谈到稀土是材料的味精，假如从稀土研究者的角度，或者是稀土用户的角度，我更愿意把味精教成维生素，因为味精可有可无，只是改变了口味，而维生素是我们不可或缺的，从中可以看到17个元素，与其他的元素在原子结构，或者是电子结构有什么不同的地方，用红色标记的就是镧系元素与过渡元素不同的，具有F电子轨道，而且F电子轨道可以从全空到全充满，这样一个有序的变化。并且稀土本身从原子来说具有更为丰富的性质，独特的4F电子亚层，大的原子磁矩，强的各相异性，丰富的越迁能级，大范围可变的配位数，有序变化的原子和离子半径，等等。

对于过渡金属来说是6到8个配比，对稀土来说配备数从目前的数据来可以从6到14之间变化，这样一中大范围可变的配位数，给我们的生命活动，包括催化过程带来非常好的先机，对稀土本身来说有一个非常重要的性质，就是镧系收缩，一般而言对原子，或者是对离子来说，这原子周期，原子迅速的增加个头会增加，对镧系元素来说，反而是随着原子序数的增加尺寸反而下降，这样的一个下降是又有一定的序列，于是，就可以在我们作为结构材料，或者功能材料需要填充的时候就有了更多的选择，正因为如此稀土有丰富而不可替代的磁光电等功能的性质。

从我们认识自然，或者认识这个元素本身来说，我们从自主的，或者是不由自主的认识这个世界，显然是从主族元素，到过渡金属元素，到锕系元素，与原子弹相关的，到4F元素，跟人类在历史的演变当中，旧石器，新石器，最后又回到了镧系元素，这样认识世界的进程密切相关的。这样的一张图片有红色的标记，左边的标记都是具有稀土可开采资源的一些国家，在亚洲来说中国、印度，以及越南，印度尼西亚，朝鲜，韩国，斯里兰卡等多少都具有稀土的储藏。欧洲来说，俄罗斯，乌克兰，特别是最近几年大家关心的格陵兰岛，靠近北极圈冰山覆盖下的大量稀土存在。大洋洲的澳大利亚是稀土资源丰富的国家，北美来说美国、加拿大，美国跨越了加拿大以外的，阿拉斯加地区具有丰富的资源。作为金砖国家之一的巴西，无论是发展潜力以及自然资源都是一个不可小觑的国家，这样的国家除了熟知的必和必拓卡着我们脖子，在铁矿石方面的资源以外，稀土在巴西也非常的丰富，在南非是我们大家不太熟悉，但是经常在媒体当中知道的地方，即使是在南非这样的一个地方，也有大量的稀土存在。到目前为止具有工业开采价值的稀土资源国家全世界将近40个。

中国北边的白云鄂博，微山湖的湖底是大的稀土矿藏，包括两大基地，一个是西部，一个是西南，攀枝花地区是全世界第二大稀土矿藏，还有一些其他的矿藏。华南五省，或者是七省地区存在着我国独特的，也是全世界到现在为止尚未见到开采的离子吸附型的稀土矿，稀土离子吸附在高度风化的高岭土的表面，用另外一个阳离子就可以简单的交换下来，这样的稀土矿藏不仅是开采容易，而且具有全世界其他国家发现资源当中所没有的资源，就是丰富的中稀土资源以及独一无二的重稀土资源，我国的包头，攀枝花西，和微山湖地区都不具备。

我国的稀土不仅地域分布广，资源丰富，并且便于开采。这样便于开采，资源丰富给我们带来了便利，同时给我们带来了麻烦，过去改革开放30多年的历史中，我们的自然资源随着社会经济和人类生存需求的快速发展，这样的一个资源也遭到了不同程度的浪费和损坏。从这张表可以看到，我们在讲我们的自然资源非常丰富的时候，我们往往会回忆起我自己当学生，80年代的时候，我们占全世界稀土资源85%以上，短短的30年过去，我们依然是老大，但是这个老大已经是36%，除了其他国家在稀土资源勘探的数据，汇集和数据增长的前提下，我们自己的祸害也是一个重要原因。如何能够把这样一个老祖宗留下来的，不多的，同时又是非常重要的资源在我们，或者我们下一代，或者下下一代的手里面，依然能够使用，能够享受，能够改善，或者是便利于我们的生活，这就是我们现在面临的一个非常重要的问题。

从稀土的分离本身来说，从化学的角度，或者是从化工操作单元的角度，我们可以分成简单的四个部分，第一个部分是所有的稀土的分级试剂是酸，带有羧酸基团或者是磷酸基团，作为配体结合稀土离子的时候，首先必须从化学的角度说有一个综合，也就是一个造化的过程，把这个质子拔掉，就变成盐，随后进入到萃取，稀土离子从水的萃取剂结合到有机项当中，下面是水项，下面是有机项，稀土本身有17个元素，17元素共存的情况下，由于元素与元素之间的结合能力不同，于是开始自我排队，结合化工试剂的消耗，用酸碱加快交换，或者是脱除，就进入到了离子交换和反萃取。从这样的过程可以看出必然会消耗大量的酸和碱，酸碱在稀土离子的平衡过程当中，为了使稀土离子完全的到有机项，或者是完全的回到水项，这样的化工试剂必然是过量的，必然造成对水和气的污染。

好在过去的三四十年的时间当中，以北京大学的徐光宪先生为代表的几代科学家，经过了长期的努力，使得我们解决了从资源的开采，分离以及加工当中的最关键的问题，形成了我们国家后面这张表所看到的，形成了第一次的飞跃，从稀土的资源大国进入到生产大国，1988年我国替代了美法日成果全球稀土最大的供应国。我们要问自己的是这样宝贵的资源，当全球停止开采的时候，我们在这充老大，提供了全世界97%以上的供应，对于我们的子孙后代，对环境和生态是过度消费。在老先生的工作基础上形成我国的第二次飞跃，就是从生产大国到科技大国的飞跃。这样的工作从现实的角度和科学发展的规律来看，要远难于前面的20年的工作。下面进入到了第三个部分，就是稀土的应用。

刚才已经谈到了，我更愿意用稀土是现代材料，或者是高新技术材料的维生素来形容，显然在各方面都有重要的应用。我们可以简单的看一下，从50年代初到最近的几年，每隔五到十年，由于稀土和稀土元素的参与，对于我们整个的科学技术，以及我们人类的生活都是非常非常大的提升和促进。就像是我们的热离子的发射，使我们能够远距离的传输信号，这就是无线电发射的源泉，对于红色的荧光粉可以从黑白世界走入到色彩斑斓的世界。从第一代的永远磁材料到超导材料，使得能源通讯，IT行业中得到非常广泛的应用。储氢材料也是非常重要的材料，西方国家在他们国家的白皮书中把稀土元素列为二十一世纪的战略元素，对于资源匮乏的日本来说有40个元素列为战略元素，稀土的17个元素均在其中，就是17/40，对于美国来说是资源丰富的国家，人均资源占有量是世界前列，但是依然把17个稀土作为25个战略元素。我们可以看到稀土对于无论是技术，经济，以及对于政治来说都扮演了一个非常重要的角色。

宏观的来说，就像前面谈到的，在磁，在光和超导等材料当中具有非常重要的作用。从铁阳体进入到现在高磁的永机体，磁场下可控的分子基材料，过去依赖化学的项变导致的传热，或者是制冷，现在可以在磁场的作用下，由于物质本身磁结构的变化可以有一个大的吸热或者是放热，这样是环保的，可以避开卡诺循环的制冷体系。发光当中能够见到亮地方，除了高分子体系，除了有机的小分子体系，其他所有的都跟稀土有关。照明，显示，1.55微米的光通讯当中也是重要的，对记录材料方面也不可或缺。对电的材料，几年前获得诺贝尔奖的电阻体系都具有非常重要的作用。其他的功能材料，催化剂，汽车尾气净化，稀土生意，医学材料，吸氢材料，信息传输材料都有重要的应用，稀土牵引的行业占到5000亿，这是一个不小的数字，跟煤或者是石油相比还是小行业。

综上所述，我国的稀土是资源第一，生产第一，出口第一，应用第一。巨大部分的稀土是我们自己在使用，可以用到非常大的领域当中，包括在一些与国防，与国家的安全，以及尖端技术方面，都具有非常重要的，包括我们的家电，包括我们的通讯以及绿色能源当中具有非常重要的作用。正因为如此，2015到2020年国家中长期发展规划，稀土都是作为重中之重。最近的几年，中央政府提出了要转变经济增长模式，培育战略型新兴产业，稀土也是作为材料领域当中的一个培育点。假如我们以稀土的永磁材料来看，这里面有是我们说的机会和问题就来了，我们可以看到的是从1985年到2010年15年多的时间里，我们的生产量，就是左边的纵坐标，可以看到增长非常的快，但是，我们的这样一个增长速度与产值的增长速度并没有完全的匹配，隐含着我们造了大量的东西，但是没有造最贵的东西。

我们看一下作为稀土永磁来说，我们知道的凡是能够驱动，转动，以及这样的一些驱动材料当中都会用到。燃油车，或者是电动和燃油的混合车当中，无论从发动机，以及到整个的传动装置，以及雨刷和汽车门窗的管理，方向盘的减重和稳定都用到了这样的材料。我们开起一辆中档的轿车时，稀土的永磁材料在这台汽车上将有30到50个点用到了这样的材料，而且这样的材料往往标志着这台汽车本身的档次。

前面的几位老师讲到了能源，能源当中我国作为一个风能发电，或者是风能应用成长最迅速的国家，我们可以看到对于稀土永磁电机来说具有效率高，结构简单，维护成本低的要求，对于这样的风车来说，几十吨的东西装到一个几十米高的柱子上，服役期要求长达20年，就是说20年当中主体的运转机械不要拆下来，因为拆下来也很难装上，这样的过程中，免维护，维护成本低的特点就日显重要。按照国家的规划，到2020年的时候我国的风电装机达到三四千万千瓦，按照每兆瓦的装机需要一吨稀土永磁体的话，到2020年是万吨级，现在是千吨级的需要量。凡是跟转起来的东西，动起来的东西都具有非常重要的应用，在国防和先端的行业当中更是非常重要的，而且是不可或缺的地方。正因为如此，当国外的发达国家，政治家，当我国对资源，对材料出口紧缩的时候，他们开始紧张，或者开始抱怨，或者是外交的，或者是WTO抱怨和投诉的形式抱怨我国。在新兴战机，包括G20，包括潜艇，包括爱国者导弹，上面都有4公斤以上的永磁体，可以飞得远，打得准，还有一个非常重要的是调制灵活。因为相应非常快，在这种超音速的飞行过程中是以微妙计算的，机械的相应速度也是非常重要的。在我国60周年大阅兵的时候，可以看到一些重型的，长距离的一些装备，100%的都用到了稀土。

介绍一下机会与挑战，在过去30多年的快速发展历程当中，我们已经稳居了稀土生产和出口，应用的老大地位。我也讲到了，我们的产值并未与之匹配，还带来了其他的一些问题。从稀土本身来说，现在最大的用途是在永磁材料，就是新材料领域占到55%，在农轻纺，玻璃陶瓷，农业领域这个材料是非常重要的。从过去的发展趋势从简单的粗加工向深加工方向发展，从简单的低端制造到高附加值，从中国制造到中国创造，这个方向就是要轻，要小，要微，而且精度要高，并且要制造成本低，而且制造的过程要绿色。稀土永磁材料在今后的20乃至30年的时间里，在大家的预测当中，依然是以钕铁硼作为最重要的家族，需求量每年将以20%以上的增长速度，对中国来说可能会更快，因为中国的汽车行业，中国的高速铁路，中国的航空，特别是风力发电和水力发电的需求，将依然保持在25%以上的增长，这对于现在的材料提出了更高的要求。

因为对稀土永磁材料来说，本身是一个金属，而稀土之所以成为稀土，这个土字就来自于性质与碱土金属相仿，碱土金属在水和氧气的气氛中非常容易腐蚀，即便是以电镀的形式，有机和高分子包覆的形式，腐蚀依然是不可避免，对金属来说除了腐蚀，还有（金戈和金相）的疲劳，如何制备面组混合电动汽车，包括风力发电，我国国防用途，使用时间超过20年稳定控制的工作，依然是我们的挑战。这张图横坐标是年代，纵坐标是磁能级，标志着单位体积磁性强度的标志，进入到90年代以来，中国是非常快速的增长，占到全世界80%以上。80%多的产能与60%的产值，或者是收益并不相仿，如何突破日本、美国在早期的专利地位，依然是这个领域当中最最重要的核心问题，对催化来说，与煤的高效利用，以及化石能源的高效利用当中，非常重要的是除了前面说的石油催化炼化的关系，对脱硫，脱氮，清洁油品是发展方向，欧四欧五也是发展的方向，与我们的精细化工，乃至于化妆品的制备工艺都具有非常重要的用途。从十几年前的以（英级射线）为主体的发光显示，现在是平板化，轻量化，制造成本的降低化肯定是发展趋势。

这个发展的过程中稀土发光经历了一个非常难堪的记忆，随着大宗用途的消失，必然要影响这个行业的发展，同时，也必须找到一些新的发展领域。目前的这个发展来看，包括一些新性的显示当中，因为液晶本身不发光，还是要有外来的外场的光，还有包括其他的一些三基色，白光和显示照明方面的用途。这张我们说的是照明用的白光LED将于2013年到2014年正式的迈入普及期，这是稀土发光材料的一个非常重要的发展领域，有大量的用途。对稀土的储氢材料也是如此，我们的笔记本用一段时间之后会发现，一年之后充一次电用一天，充电时间越来越短，使用时间越来越段，这是离子变相过程中的衰败，如何避免材料疲劳和相变的过程是稀土储氢必须研究的问题。

以徐光宪为代表的几代科学家为我国的稀土产业作出了非常重要的工业，随着人类对环境要求的提高，随着人类对生态环境要求的提高，过去的这些工艺往往也不能满足现在的要求，分离过程的绿色，高效，无害化是重要的发展方向。不仅是前面说到的以萃取作为主体的，包括以还原过程作为主题的过程中也是如此，我们简单的说铝是电解当中人类在技术开发当中作得最好的之一，现在的稀土在电解过程当中的电能利用率只是13%，是铝的三分之一，如何能够对大量的金属和合金类的制造过程节能减排也是一个非常重要的问题。现在国外的发展方向来看的话，我们可以说一个是重点转移，第二个是材料体系更多的面向能源信息，和与生命相关的体系，目标的测定更多的注重高稳定性和高可靠性，过去以简单的超导为例，超导的温度是重要的指标，真正要用的时候，温度仅仅是重要指标之一，因为能不能用取决于可靠性和稳定性。

国外是一种协同研究，产学研用和政府结合在一起，还有战略意图，作为中国人来说必须看到我们的危机感，我们有好的资源，好的工艺，但是国外也不差。只是国外在过去的30年里过于依赖中国的便宜货，他们不想自己干了。最近的过程他们是希望依然占据技术的制高点，弥补他们在资源方面的劣势，抓住一两个拳头产品反制我们，我们虽然占了全世界用的97%，是由中国人制造的，但是就3%卖回来的时候，可能卖了20%的钱，这就是我们的一个窘境。而且现在不卖给你，他们知道这些东西将会用到核心的，包括激光，包括一些单晶，包括一些核心的元器件当中。这就是我前面谈到的，在过去的几年当中国际社会非常的关注，包括一些非常纯粹的科学的杂志，或者是科学的刊物，也开始涉足到了外交与经济，与资源相关的问题。比如说这是一篇两年前的文章，题目是中国稀土研发日益精进，令其他国家发抖恐慌。过去的几年中以美国为代表的，日本为推手的境外发达国家制订了一系列的发展策略，包括美国的地质调查局，是全球在地质资源数据方面最具权威的机构，包括美国的能源部，包括美国的一个特殊的机构，叫美国政府问责局，是专门负责向两参众两院提出战略咨询，质询政府，给总统提出决策的。他们的报告当中认为稀土在他们可以预测的20年时间里，依然还会受制于中国，并且在国防这样的一些关键期间当中还离不开稀土。这就是一个战略的背景。

我们面临的问题就非常严重了，36%的东西，稀土元素的使用不均衡是非常难的问题，我现在储量少的，恰恰是大家所需要的，储量多的大家用得还比较少。这种元素分布和应用不均衡，导致了开采，管理，使用政策方面的调整。今年2月24日，国家环保部颁布了全世界首个稀土工业污染物排放标准，按照这样的标准，现在所有的稀土生产企业无一幸免，都不达标。于是给了两年的缓刑期，从今年开始两年的时间，从10月1日开始要建这个企业，就必须一步达到这个标准。从公众的角度认识这个标准非常有必要，对于人类的生存环境，保护我们的资源，保护我们的地球都非常重要。同时，也是一个双刃剑，因为要想把一个工业当中排出来的水可以达到饮用水的要求，这是一个何其难的过程。

这里面还有一个问题，从资源方面有一个新的名词，要城市采矿，就是二次资源的回收，利用和再循环的问题，就不多说了。我国今后十几年，乃至二十年的发展中，是南钇北铈。必须关注的是稀土矿产资源的高效利用，除了涉及科技以外还涉及到政策和维稳。稀土当中重要的伴生元素钍，我国是全世界第二大的钍资源国家，包头矿放射性的废渣300万吨，超过了5000吨的钍不翼而飞，不知道进入到了谁的身体里面，这是非常严峻的问题。

稀土功能材料和器件的开发和应用，在发光材料当中一些新的发光材料，高效的用到通讯，生物和日常大家能吃能用的最是最广泛的。生物陶瓷，以氧化锆为陶瓷当中的明星，把硬和脆，软和韧两个矛盾结合到了一起，同时具有结构材料的特点以外，在催化方面有很重要的特点，以化学所和北大在高分子非常具有传统的，在特殊的行业的，尼龙铸剂是很重要的方面。2月16日总理召开了会，5月19日颁布了关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见，这就是我们的机会，因为政府将会给钱，同时，也是我们的挑战，如何能够拿人钱消人灾。中央强调要用5年左右的时间，整顿这个行业，用15年左右的时间发展和壮大这个行业，这就是我们要做的。谢谢大家。