稀土催化材料技术应用方向及趋势专利分析

刘思德 匡露 赵丽莎/文

包头稀土研究院 横琴国际知识产权交易中心有限公司

1 稀土催化材料概述

由于稀土元素具有独特的4f 电子层结构，稀土在化学反应中具有良好的助催化性能，在石化、环境、能源、化工等催化应用领域已成为不可或缺的重要组分，并制备出了石油裂化催化剂、移动源（机动车、船舶、农用机械等）尾气净化催化剂以及固定源（工业废气脱硝、天然气燃烧、有机废气处理等）尾气净化催化剂等产品。

目前，稀土催化材料最大的两个应用方向是石油裂化催化剂和机动车尾气净化催化剂，包括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料以及铈基催化材料等，已在机动车尾气净化、石油化工、燃料电池、催化燃烧以及高分子材料无铅助剂等诸多能源环境领域得到研发和应用。

稀土元素在催化剂中的主要作用有：1）提高催化剂的储氧能力；2）提高活性金属的分散度，改善活性金属的催化活性；3）降低贵金属的用量；4）提高催化材料的热稳定性；5）促进催化剂晶格氧的迁移，从而提高催化剂的催化活性。

发展稀土催化材料，可以促进高丰度轻稀土元素镧(La)、铈(Ce)等的大量使用，有效缓解我国稀土消费失衡，促进我国稀土资源高质、高效利用，提升能源与环境技术发展，改善人类生存环境，为我国稀土材料产品具备核心竞争力提供技术支撑（见图1）。

图1 稀土基催化产品

稀土催化材料的产业链，上游产品主要有稀土金属和稀土氧化物等；中游产品主要有分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、铈锆固溶体催化材料等；下游主要应用在石油裂化、汽车尾气净化、燃料电池。

工业净化等领域

上游产品包括稀土原料、载体、涂层、活性催化剂。

稀土原料：稀土氧化物、稀土金属、铈基氧化物。

其他稀土原料

载体包括：蜂窝陶瓷、铁铬铝金属蜂窝、二氧化钛等。

涂层：氧化铝。

活性催化剂：贵金属、金属氧化物、钙钛矿型复合金属氧化物、过渡金属、其他材料。

中游产品是指稀土催化材料

具体包括铈基催化材料、载体型催化材料、分子筛催化材料、钙钛矿催化材料、稀土及贵金属催化材料、稀土复合氧化物催化材料等。

下游是稀土催化材料的应用

重点应用的领域有：机动车尾气净化（汽油车和柴油车）、电厂脱硝/烟气脱硝、石油催化裂化、合成橡胶等高分子聚合、燃料电池、催化燃烧、工业废气净化、化工催化等。

2 主要技术应用方向及趋势

本文用于分析的专利数据来源于IncoPat 全球专利数据库，通过不同的关键字和分类号组合进行检索，数据公开（公告）时间截至 2022 年 7 月。

全球稀土催化材料专利的技术构成可以分为稀土催化材料的制备方法及应用两大分支，一件稀土材料的专利通常包括制备方法和应用领域。本文仅从应用方向的角度对稀土催化材料的专利进行划分。

稀土催化材料的重点应用方向包括机动车尾气净化（汽油车和柴油车）、电厂脱硝/烟气脱硝、石油催化裂化、合成橡胶等高分子聚合、燃料电池、催化燃烧、工业废气净化、化工催化等。全球稀土催化材料的专利技术分布如图2 所示。

图2 稀土催化材料全球专利主要技术应用方向专利分布

在稀土催化材料的应用方向上，以化工催化方面的应用研究最为广泛，因此申请的专利最多，共有17916 件专利申请，占比达到应用专利整体的24.21%；其次为机动车尾气净化方向，共有15547件专利申请，占比21.00%；合成橡胶等高分子聚合、石油催化裂化，也是较为热门的研究领域，占比分别为14.15%和8.93%；工业废气净化、催化燃烧、固体氧化物燃烧电池和烟气脱硝催化等方向的专利较少。

图3 为近20 年稀土催化材料全球专利8 项主要技术应用方向的专利申请趋势特点，其特点与各技术的发展趋势与动态密切相关。

图3 近20 年稀土催化材料全球专利各技术分支专利申请趋势

由图3 可知，机动车尾气净化和化工催化是近20 年研究最为热门的方向。其中，机动车尾气净化的专利申请在2016 年达到一个高峰后出现了下滑的局面。这一方面可能是因为机动车尾气净化领域的催化剂长期由龙头企业所垄断，不太利于该领域的技术发展；另一方面，有可能是该领域出现了一定的技术瓶颈需要去突破。我国机动车排放标准GB 18352.6-2016 年《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》和GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》相继出台，我国进入国六排放标准新时期，机动车尾气排放方面的环保法规越来越严格，需要新的技术手段去解决，因此，出现了专利申请下滑的局面。无论如何，机动车尾气净化催化剂是非常值得关注的方向和领域。

近年来，化工催化领域的研究也非常热门，专利申请量较大，并在2019 年达到了峰值。合成橡胶等高分子聚合领域和石油催化裂化的专利申请具有一定的波动性，其中2019～ 2021 年合成橡胶等高分子聚合领域出现了专利申请略有下滑的情况，但石油催化裂化领域的专利申请下降较为明显。近年来，工业废气净化和烟气脱硝的专利申请呈增长趋势，燃料电池和催化燃烧方向的专利申请较为平稳。随着全球愈发重视节能减排，能源结构调整将是碳中和发展过程中不可避免的难题，而燃料电池能有效缓解该情况。因此，燃料电池市场扩大，燃料电池稀土催化剂关注度将得到显著提升。此外，工业废气净化和烟气脱硝能有效治理空气污染，也将是非常重要的研究方向。

经过综合研判，如图4 所示，稀土催化材料在石油催化裂化、化工催化、合成橡胶领域的应用历史较长，技术更为成熟、产业化程度更高。在机动车尾气净化和工业废气净化领域的应用时间相对较短，但是技术成长性好。自2009 年开始，两个领域的专利申请量快速增长，已成为当前稀土催化材料领域中最为热门的研究方向。稀土催化材料在燃料电池领域的应用时间较短，技术成熟度和产业化程度相对较低，燃料电池具备发电效率高、节约水资源、绿色环保、易于模块化组装、燃料选用范围广、适应性强等优点，是一种具有很高应用前景的技术。

图4 稀土催化材料技术发展趋势分析

3 结语

本文对全球稀土催化材料的应用方向及发展趋势进行了简单分析，希望能为我国稀土催化材料技术的研发提供一定参考。建议重点围绕机动车尾气净化、工业废气净化和燃料电池的稀土催化材料加强研发和专利布局，加强附加值高、市场前景广的技术创新及专利保护，促进稀土资源的有效利用，提升我国在稀土催化材料产业的市场竞争力。