稀土概論（簡體書）

本書系統總結了稀土資源的特點與產業發展，稀土的功能性質與材料應用，稀土元素的電子結構與基本性質，稀土產品、萃取分離技術與功能配合物，稀土生產相關的環境保護與質量管理以及稀土研發平臺與政策支持。有助於讀者全面認識稀土，了解稀土產業、資源、相關政策與人才培養等方面。本書可作為稀土專業本科生教材，化學、材料科學與工程、環境科學與工程、化學工程與技術等專業研究生的基礎課教材，以及稀土行業從業人員和管理部門專業技術人員的參考用書。

李永繡，南昌大學化學系，稀土研究院，院長，教授，博士，中國稀土學會理事，兼稀土化學與濕法冶金專業委員會副主任，稀土環境保護專業委員會副主任，稀土地質采礦選礦專業委員會委員，稀土發光專業委員會委員；江西省稀土學會副理事長，兼稀土應用專業委員會主任；主要從事稀土資源高效提取，稀土環境保護和稀土新材料的研究和技術推廣應用工作。1982年畢業於江西大學無機化學專業，獲學士學位；留校任教，從事稀土資源開發研究與稀有元素化學專業課程教學；1985.9-1988.7在杭州大學化學系無機化學研究生，獲碩士學位；畢業後會江西大學任教，2000-2003年在南京大學無機化學博士研究生，2008-2009，美國肯特州立大學訪問學者。其余時間一直在江西大學、南昌大學工作；從事稀土資源開發與微納米新材料研究以及無機化學、配位化學、分離化學、稀土化學與功能材料的教學工作。在資源開發、稀土分離與高純化技術、稀土材料前驅體物性調控技術、稀土拋光材料、稀土陶瓷材料、稀土發光材料等方面取得的科技成果得到推廣應用，取得了顯著的經濟和社會效益，獲省部級科技獎勵8項次。以主編、副主編出版專著和教材3部，發表論文180多篇，獲授權發明專利30多件。

稀土是戰略資源。總書記在2019年5月視察贛州和2023年6月視察內蒙古自治區時都對稀土產業的發展作出了重要指示。南昌大學遵照總書記的指示精神，積極投身到江西省委和省政府組織的做大做強江西稀土產業、提高科技創新研發能力、著力培養高層次人才的攻堅戰之中。重要舉措包括：為政府部門制定稀土科技和產業發展計劃獻計獻策，提出建設性方案；依靠南昌大學在稀土科學研究和人才培養方面的工作成績和學科交叉優勢，以江西省稀土材料前驅體工程實驗室和南昌大學稀土與微納功能材料研究中心為基礎，組建跨學科、跨學院的“稀土研究院”，並在雙一流建設中確立了“稀土資源環境與材料化學”一流科研平臺建設任務；自 2020 年起，開辦了“稀土實驗班”，並納入南昌大學拔尖創新人才培養體系，在學校領導的直接關心下，制定了稀土實驗班的培養方案和教學計劃，並在2020年9月順利開班。稀土實驗班起初設立了7個專業方向（應用數學、應用物理、應用化學、材料科學與工程、材料成型及控制工程、測控技術與儀器、環境工程），其基礎和通識課程依靠各學院的教學力量組織實施。
南昌大學稀土學科的發展源於1958年建立的江西大學化學系。其中，在無機化學專業開設了稀有元素化學專業方向，研究和傳授稀土、鎢、鉬、鉭、鈮等稀有金屬資源開發的基礎理論和新技術。1977—1993年，江西大學化學系每年招收30名左右無機化學專業學生，培養了一批以稀土為主的稀有元素化學專門人才。1988—1992年，江西大學化學系開辦了稀土化學專科班，共招生培養了5屆，每屆25人的專業人才。1995年，南昌大學無機化學碩士學位點獲批，開始招收稀土化學、稀土資源和稀土材料方向的碩士研究生。1999年，南昌大學獲得“材料物理與化學”和“工業催化”兩個博士學位授權點，2012年獲得“化學”一級學科博士學位授權點，隨後相繼被批準為“材料科學與工程”“化學”等博士後流動站。其中，稀土材料化學都是主要研究方向之一。
稀土實驗班秉承“以生為本、因材施教、崇德尚能、高端發展”的教育理念，按照“寬口徑、厚基礎、重品行、強實踐、塑卓越”的理工結合型人才培養模式，面向稀土高端應用研究和稀土產業高質量發展要求，培養既有崇高理想與責任擔當、國際視野與家國情懷、攻堅創新與務實卓越等綜合素養，又有寬厚基礎知識、扎實專業技能、敢於創新求實、創業求益的稀土領域拔尖創新人才。
《稀土概論》作為稀土實驗班的第一門平臺主幹課程，貫穿科普與基礎相結合的編寫原則。學生的課前基礎主要是高中階段學習的數學、物理、語文、外語等相關知識。因此，除了稀土電子結構及其基本性質外，其他內容均以科普的形式來介紹。主要目的是讓學生在掌握稀土電子結構及其基本性質的基礎上，對稀土及其稀土產業、稀土科技、稀土教育與人才培養、稀土政策、國內外稀土資源、稀土應用及其對社會發展的貢獻等有一個全面的了解，尤其是中國稀土產業的發展給人們帶來的對於創新發展的認識和啟迪。稀土產業的發展得益於中國領先國際的稀土提取冶煉技術，而體現中國在這一領域的整體領先水平以及中國幾代科學家和科研工作者艱苦奮斗的精神，是這一課程的關鍵點。另外，對本書內容的編排和取材方面也做了充分的比較和對接，一是與前序課程“無機及分析化學”的對接，二是為後續課程“稀土冶金與環境保護”“稀土材料化學與應用”做鋪墊。重點通過中國稀土產業的發展歷史和典型技術突破實例的介紹，來詮釋理想與擔當、視野與情懷、創新與務實、基礎與專業的內涵。
本書在編著過程中吸取了筆者團隊一些科研項目中的部分新成果，包括主持承擔的國家重點研發計劃項目（離子吸附型稀土高效綠色開發與生態修復一體化技術，2019YFC06005000）和國家自然科學基金（多重化學平衡調控離子吸附型稀土與鋁鈾釷的浸取及其綜合回收，21978127；硫酸鋁高效浸取離子吸附型稀土和尾礦污染物控制技術的機理和性能，51864033；風化殼中稀土元素三維空間分布與注入液體流動方向的基礎研究，51274123）等項目，國家863計劃課題（先進鑭、鈰材料製造與應用技術，2010AA03A407；高性能釔鋯結構陶瓷先進製造與應用技術，2010AA03A408）、國家973計劃課題（稀土資源高效利用和綠色分離的科學基礎，2012CBA01204）、科技支撐計劃課題（離子吸附型稀土高效提取與稀土材料綠色製造技術，2012BAB01B02），江西省重大科技研發專項2022年關鍵技術揭榜掛帥項目“高質量高功率白光LED用紫外/近紫外激發稀土發光材料和LED器件封裝集成關鍵技術”（20223AAE01003）以及稀土資源高效利用國家重點實驗室和白云鄂博稀土資源高效開發利用國家重點實驗室開放基金。本書的出版不僅僅是為了滿足稀土實驗班教學內容的需要，而且也可以作為化學、材料科學與工程、環境科學與工程、化學工程與技術等專業研究生的基礎課教學用書。更希望本書能夠給稀土行業從業人員和管理部門專業技術人員提供參考。
本書共分7章，分別是：稀土家族：資源特點與產業發展（第1章）；稀土榮耀：功能性質與材料應用（第2章）；稀土血脈：電子結構與基本性質（第3章）；稀土產品：化學指標與物性調控（第4章）；稀土配位：萃取分離與功能配合物（第5章）；稀土生產：環境保護與質量管理（第6章）；稀土科技：研發平臺與政策支持（第7章）。其中，第1、7章由李永繡主筆，第2章由李永繡、劉越共同主筆，第3、5章由李東平主筆，第4、6章由李靜主筆。書稿整體框架和內容由李永繡規劃和統稿，第6章有關稀土生產的內容邀請了贛州湛海祝文才、晨光稀土陳燕對相關內容進行修改把關，李東平承擔所有章節的潤色修改及圖表、參考文獻等的格式統一。周雪珍老師和丁正雄、劉歷輝、孔維長、李勛鶴、郭峰、胡曉倩、冶曉凡、趙晴、盧平、秦啟天、盧曦、曾森彪等負責本書內容和素材的整理、圖表製作等工作。本書內容最後由原廣晟有色的韓建設正高級工程師審校完成。
因作者水平有限，書中難免存在一些疏漏和不當之處，敬請讀者批評指正。本書的出版得到了南昌大學教材出版基金和雙一流學科建設基金的支持，在此一並表示感謝。
最後感謝家人、老師、同事和學生的幫助與支持。

李永繡
2024年5月於南昌大學前湖校區

第1章 稀土家族：資源特點與產業發展 001
1.1 稀土元素的發現、命名和分類 001
1.1.1 稀土元素的發現時間與命名 001
1.1.2 稀土家族及其分組歸類 003
1.2 稀土不“稀” 004
1.2.1 稀土元素在地殼中的豐度 004
1.2.2 世界稀土資源分布 005
1.2.3 國外主要稀土資源 007
1.2.4 稀土的“稀”與“不稀”的相對意義 010
1.3 世界稀土工業的發展及格局變遷 012
1.3.1 以歐洲為主的獨居石時代 013
1.3.2 以美國為主的氟碳鈰礦時代 013
1.3.3 以中國為主的白云鄂博礦和南方離子吸附型稀土時代 014
1.3.4 中國稀土占主導地位的多元化全球稀土供應格局 015
1.4 中國稀土產業的主要發展階段和特色 021
1.4.1 在跟蹤發展中孕育創新 021
1.4.2 在優化創新中實現超越 023
1.4.3 在超越突圍中實現引領 026
1.5 稀土產業格局變遷的動力 028
1.6 稀土產業鏈及其高質量發展 029
1.6.1 高豐度稀土高值化平衡利用要求 030
1.6.2 稀土產業可持續發展與科技創新 032

第2章 稀土榮耀：功能性質與材料應用 039
2.1 稀土不“土” 039
2.1.1 稀土應用提升稀土戰略價值 039
2.1.2 稀土功能性質與4f電子排布 039
2.1.3 稀土應用的王者風範 041
2.2 稀土榮耀及其戰略意義 042
2.2.1 稀土榮耀 042
2.2.2 稀土的戰略意義 060
2.3 稀土材料化學 063
2.4 稀土材料的主要類型和應用概況 063
2.4.1 稀土氧化物材料 064
2.4.2 摻雜和復合稀土氧化物材料 064
2.4.3 稀土硫化物材料 068
2.4.4 稀土鹵化物材料 069
2.4.5 稀土金屬及合金材料 070
2.5 中國稀土材料研究歷程 072
2.5.1 稀土磁性材料 072
2.5.2 稀土儲氫材料 074
2.5.3 玻璃陶瓷與高溫超導體 074
2.5.4 稀土發光材料 075
2.5.5 稀土催化材料 077
2.5.6 稀土拋光材料 077

第3章 稀土血脈：電子結構與基本性質 079
3.1 稀土元素的電子結構 079
3.1.1 稀土元素的電子層結構特點 079
3.1.2 鑭系元素和離子的電子組態 080
3.1.3 鑭系元素的價態 082
3.1.4 稀土元素原子半徑和離子半徑 083
3.1.5 鑭系離子顏色 084
3.1.6 鑭系離子光譜項 085
3.1.7 鑭系離子及其化合物的能級 088
3.2 稀土含氧化合物及無機鹽 089
3.2.1 稀土化合物的性質 089
3.2.2 稀土氫氧化物 091
3.2.3 稀土氧化物 093
3.2.4 稀土鹵化物 096
3.2.5 稀土硝酸鹽 098
3.2.6 稀土硫酸鹽 099
3.2.7 稀土碳酸鹽 101
3.2.8 稀土草酸鹽 102
3.2.9 稀土磷酸鹽 104
3.3 稀土非金屬化合物 105
3.3.1 稀土碳化物 105
3.3.2 稀土硅化物 106
3.3.3 稀土氮化物 107
3.3.4 稀土硼化物 108
3.3.5 稀土硫化物 109
3.3.6 稀土氫化物 112
3.4 稀土金屬及合金 114
3.4.1 稀土金屬單質 115
3.4.2 稀土合金 134
3.4.3 稀土鋼鐵添加劑 139

第4章 稀土產品：化學指標與物性調控 142
4.1 稀土產品的化學指標 142
4.2 自然資源中稀土的共生與雜質糾纏 142
4.3 稀土分離提純的主要內容 144
4.3.1 稀土分離的基本原理 145
4.3.2 稀土地質礦山 146
4.3.3 獲得稀土精礦的采礦選礦技術 147
4.3.4 獲得高純單一稀土產品的冶煉分離技術 149
4.3.5 稀土選冶與分離技術的高效綠色化進程 150
4.4 稀土沉澱與結晶分離 150
4.4.1 沉澱-溶解平衡和溶度積規則 151
4.4.2 沉澱分離方法的應用 152
4.4.3 分級沉澱分離 156
4.4.4 分級結晶 157
4.5 稀土與鋁的分離 158
4.5.1 沉澱分離 159
4.5.2 萃取分離 159
4.5.3 吸附及多重平衡分離 160
4.6 稀土與釷鈾鋁的分離 160
4.7 稀土材料前驅體與物性控制 161
4.7.1 稀土材料前驅體定義 161
4.7.2 高純特種物性稀土材料前驅體 162
4.7.3 稀土材料物性控制 163
4.7.4 高純稀土金屬及靶材 165
4.7.5 稀土材料前驅體產品的綠色低成本生產問題 165
4.8 稀土微納米粉體材料 167
4.8.1 定義 167
4.8.2 稀土微納米粉體材料的類型 168
4.8.3 稀土微納米粉體材料的合成 170
4.8.4 稀土微納米粉體材料的應用 171
4.9 稀土薄膜和塗層材料 173
4.9.1 稀土納米薄膜 173
4.9.2 稀土塗層材料 173
4.9.3 稀土薄膜和塗層材料的類型 173
4.9.4 稀土薄膜和塗層材料的組裝與應用 174
4.10 稀土塊體材料 179
4.10.1 定義 179
4.10.2 稀土塊體材料的結構類型 179
4.10.3 稀土塊體材料的制備 180
4.10.4 稀土塊體材料的應用 182

第5章 稀土配位：萃取分離與功能配合物 184
5.1 引言 184
5.1.1 配位化合物 184
5.1.2 配位化學與稀土配合物 185
5.2 稀土離子的配位性能 185
5.3 稀土配合物的主要類型 186
5.3.1 稀土有機配合物 187
5.3.2 稀土無機配合物 193
5.3.3 稀土配合物的合成 194
5.4 稀土配合物的配位數和幾何構型 195
5.5 稀土配合物的穩定性 198
5.6 稀土配合物穩定性的“四分組效應” 200
5.7 配位分離化學 202
5.7.1 稀土萃取分離化學 202
5.7.2 萃取劑類型 207
5.7.3 萃取過程及基本參數 217
5.7.4 稀土元素的分組萃取分離實例 220
5.8 稀土吸附與離子交換分離 221
5.9 稀土配合物的功能性質及其材料應用 223

第6章 稀土生產：環境保護與質量管理 228
6.1 稀土環境化學 228
6.1.1 概況 228
6.1.2 稀土土壤環境化學 228
6.1.3 稀土水環境化學 230
6.1.4 稀土大氣環境化學 230
6.2 稀土工業生產過程的環境保護 230
6.2.1 稀土生產過程的廢氣和粉塵污染 230
6.2.2 稀土濕法冶煉廢水 231
6.2.3 稀土尾礦和工業廢渣 233
6.3 稀土環保材料 233
6.3.1 稀土催化材料 233
6.3.2 稀土無毒顏料和高分子助劑 233
6.3.3 稀土水處理劑 234
6.4 稀土分析化學 234
6.4.1 化學分析法 234
6.4.2 儀器分析法 236
6.5 稀土標準化工作 239
6.5.1 冶金部標準 239
6.5.2 國家標準與行業標準 240
6.5.3 稀土標準樣品 240
6.6 稀土行業質量管理 241
6.6.1 質量管理標準認證體系 241
6.6.2 質量管理 241

第7章 稀土科技：研發平臺與特色領域 243
7.1 稀土科技發展的國家戰略部署 243
7.2 稀土科研國家重點實驗室 244
7.3 稀土科研國家工程（技術）研究中心 245
7.4 稀土研發單位和生產企業 246
7.4.1 部分高校稀土科研平臺及成果 246
7.4.2 中國科學院部分稀土科研平臺及成果 251
7.4.3 部分國家和地方稀土研發與設計平臺 253
7.4.4 部分大型稀土企業 256
7.4.5 稀土相關學會、協會 266

參考文獻 269