Loading AI tools
稀土元素（英语：rare-earth element，REE），或称稀土金属，是元素周期表上第3族之钪、钇和镧系元素共17种金属化学元素的合称，皆属于副族元素。稀土元素皆为质地较软的银白色金属，彼此之间具有非常相似的化学性质，且总是在矿床中共生，难以分离、提取。[1][2][3]
 | 此条目需要精通或熟悉化学的编者参与及协助编辑。 |
 | 此条目翻译自英语维基百科，需要相关领域的编者协助校对翻译。 |
与其名称暗示的不同，实际上稀土元素在地壳中的丰度并不低（放射性的钷除外），其中含量最高的铈在地壳元素丰度排名第25，占0.0068%，与铜相当。虽然稀土元素并不稀有，但由于其地球化学特性，它们在地壳中的分布相当分散，很少有稀土元素富集到容许商业开采的程度；此外，其彼此之间相似的化学性质导致它们倾向于两两或多种一起伴生于矿物中，而难以将稀土元素彼此单独分离，导致开采和提取上的困难，因此被称为“稀土”元素。[4]稀土元素在矿藏中常与放射性锕系元素共生，以钍为主，铀矿中较为少见。钷是稀土元素中唯一的放射性元素，且其所有同位素的半衰期都很短，在自然界中主要作为铀-238自发分裂的产物而痕量生成于铀矿中，含量极为稀少。
第一种被人类发现的稀土矿物是硅铍钇矿，一种主要由铈、钇、铍、铁、矽等元素组成的黑色矿物，为1787年从瑞典伊特比村的矿井中所提取出，有四种稀土元素的英文名称都是源自于此地（钇、铽、铒和镱）。
在元素周期表的各类金属元素中，稀土金属的活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，其中镧系元素的反应性有随著原子序数增加而逐渐降低的趋势（铕和镱除外）。室温下，稀土金属在空气中表面会逐渐失去光泽；与冷水接触会反应生成氢氧化物并释出氢气；与水蒸气接触则会反应生成氧化物。在400°C以上的高温中会自燃。
稀土元素及其化合物在绝大多数生物体内并没有已知的生物学功能，且其水溶性化合物具有轻度至中度毒性，但难溶性化合物则没有。[5]
稀土元素在电气及电子元件、雷射器、玻璃、磁铁和工业及化学催化剂等领域中有著多样且广泛的应用，但由于它们在产业中不像铁和铝等卑金属需要使用庞大的体积或消耗巨大的用量，且大多应用于较专业的用途，因此它们的名称和属性在日常生活中并不十分为人所知。其中最容易见到的可能是磁性很强的钕磁铁（人造永磁体），在一些商家作为新奇的玩具出售。
化学家安德烈亚·赛拉（英语：Andrea Sella）认为：稀土元素与周期表中其他元素的不同之处在于：从原子结构上来看，它们彼此之间的化学性质几乎完全相同，几乎是无法相互分离的。然而，就其电子特性和磁性质而言，每种稀土元素在我们的科技产业中都占据著独一无二的岗位，没有任何其他的元素可以取代。[1]例如：“镨（Pr）和钕（Nd）都可掺入玻璃中，以在吹制玻璃（英语：glassblowing）时，完全消除火焰中的眩光。”[1]
稀土金属包括15个镧系元素：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）以及与镧系元素密切相关的两个元素：钇（Y）和钪（Sc）。
下表列出了17个稀土元素之名称、原子序数、元素符号、名称的词源、应用范围及其在地壳中的丰度。
| 原子序数 | 化学符号 | 名称 | 英文名 | 词源 | 应用范围 | 丰度[6][7] （ppm[a]） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 21 | Sc | 钪 | Scandium | 源自第一个稀土矿石被发现的半岛斯堪的纳维亚之拉丁语名"Scandia"。 | 铝钪合金（用于航空、航太及体育用品等）、金属卤化物灯[8]、牙科的掺铒铬钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）雷射器[9]、三氟甲磺酸钪用作有机合成催化剂等 | 22 |
| 39 | Y | 钇 | Yttrium | 源自第一个稀土矿石被发现的地方，瑞典伊特比村之名（Ytterby）。 | 钇铝石榴石（YAG，用于雷射器、磷光体、人造宝石等）、掺铕的钇化合物用作映像管红色磷光体、钇钡铜氧（YBCO）高温超导体、钇安定氧化锆（YSZ）陶瓷材料、钇铁石榴石（YIG，用于微波滤波器等）[8]、省电灯泡的萤光粉涂层[10]、火星塞、合金添加剂、煤气灯纱罩（英语：Gas mantle）、癌症的放射治疗（钇-90（英语：Yttrium-90））、照相机和折射望远镜镜头等 | 33 |
| 57 | La | 镧 | Lanthanum | 源自希腊语"lanthanon"，意为隐藏。 | 石油流化催化裂化（FCC）催化剂、储氢合金、高折射率及耐碱性玻璃、混合稀土金属燧石、电池电极、照相机和折射望远镜镜头、抛光研磨剂、去除导致水域优养化的磷酸盐[11]、碳酸镧用作肾衰竭时的磷酸盐结合剂（英语：Phosphate binder）等 | 39 |
| 58 | Ce | 铈 | Cerium | 源自矮行星谷神星（Ceres）之名。谷神星是以罗马神话的农业女神刻瑞斯（Ceres）之名命名的。 | 石油流化催化裂化催化剂、抛光研磨剂、硝酸铈铵等铈(IV)化合物用作化学及工业用氧化剂、玻璃和陶瓷的黄色染料、打火机的铈铁（英语：ferrocerium）燧石、涡轮发动机叶片的稳固疏水性涂层[12]、掺铈钇铝石榴石（Ce:YAG，用于白色LED、水银灯、阴极射线管、闪烁体等）、煤气灯纱罩等 | 66.5 |
| 59 | Pr | 镨 | Praseodymium | 源自希腊语"prasios"，意为韭菜绿，以及"didymos"，意为双胞胎。 | 稀土磁铁、抛光研磨剂、掺镨氟化钇锂（Pr:YLF）雷射器、弧光灯核心、玻璃和珐琅的黄色染料、镨钕玻璃（用于焊接护目镜（英语：welding goggles））[8]、单模光纤放大器掺杂剂（英语：Dopant）等 | 9.2 |
| 60 | Nd | 钕 | Neodymium | 源自希腊语"neo"，意为新的，以及"didymos"，意为双胞胎。 | 稀土磁铁（钕磁铁）、雷射材料掺杂剂（如掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕氟化钇锂（Pr:YLF）等，用于医疗、牙科和工业等领域）、抛光研磨剂、玻璃和陶瓷的紫色染料、镨钕玻璃等 | 41.5 |
| 61 | Pm | 钷 | Promethium | 源自希腊神话中盗火者普罗米修斯（Prometheus）之名。 | 核电池、萤光漆（英语：luminous paint）等 | 1×10-15[b][13] |
| 62 | Sm | 钐 | Samarium | 源自稀土矿石铌钇矿（英语：Samarskite）（Samarskite）。铌钇矿是以俄罗斯矿务官Vasili Samarsky-Bykhovets（英语：Vasili Samarsky-Bykhovets）之名命名的。 | 稀土磁铁（钐钴磁铁）、化学反应催化剂、有机合成试剂、雷射器、混合稀土金属燧石、迈射、核反应炉的控制棒等 | 7.05 |
| 63 | Eu | 铕 | Europium | 源自欧洲（Europe）。 | 红色和蓝色磷光体（用于电视萤幕、日光灯、萤光墨水等）、雷射器、核反应炉的控制棒等 | 2 |
| 64 | Gd | 钆 | Gadolinium | 源自约翰·加多林（Johan Gadolin）之名，以纪念他对稀土研究的贡献。 | MRI显影剂（英语：MRI contrast agent）、X射线探测器（英语：X-ray detector）的磷光体涂层、二氧硫化钆闪烁体、钢与铬合金添加剂、磁光材料（如掺钆钇铝石榴石（英语：Gadolinium-doped yttrium aluminium garnet）（Gd:YAG）等）、掺钆二氧化铈（英语：Gadolinium-doped ceria）（GDC）用作固态氧化物燃料电池之陶瓷电解质、磁致冷（英语：Magnetic refrigeration）冰箱、核反应炉的控制棒等 | 6.2 |
| 65 | Tb | 铽 | Terbium | 源自瑞典伊特比村之名。 | 绿色磷光体（用于电视映像管、日光灯、X射线探测器等）、钕磁铁添加剂、磁光材料（如铽镓石榴石（英语：Terbium gallium garnet）（TGG）等）、磁致伸缩合金（如Terfenol-D，用于执行器、海军声纳系统、感测器等）等 | 1.2 |
| 66 | Dy | 镝 | Dysprosium | 源自希腊语"dysprositos"，意为难以获得。 | 钕磁铁添加剂（用于电动车马达和风力发电机等）、磁光材料、雷射器、磁致伸缩合金（如Terfenol-D）、金属卤化物灯、核反应炉的控制棒、掺镝钇铝石榴石（Dy:YAG，用于萤光光纤测温系统及白色LED等）等 | 5.2 |
| 67 | Ho | 钬 | Holmium | 源自其发现者的故乡斯德哥尔摩之拉丁语名"Holmia"。 | 雷射材料掺杂剂（如掺钬钇铝石榴石（Ho:YAG）、掺钬氟化钇锂（Ho:YLF）等，用于医疗、牙科和光纤等领域）、玻璃著色剂、氧化钬玻璃用作分光光度计波长校正标准、稀土磁铁、金属卤化物灯、核反应炉的控制棒等 | 1.3 |
| 68 | Er | 铒 | Erbium | 源自瑞典伊特比村之名。 | 雷射材料掺杂剂（如掺铒钇铝石榴石（英语：Er:YAG laser）（Er:YAG）、掺铒铬钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）等，用于医疗、牙科等领域）、光纤放大器掺杂剂（掺铒光纤放大器）、玻璃的粉红色染料、上转换奈米粒子（英语：Upconverting nanoparticles）掺杂剂、钒钢等合金添加剂、核反应炉的控制棒等 | 3.5 |
| 69 | Tm | 铥 | Thulium | 源自希腊神话中的北方神秘之地图勒（Thule）。 | 雷射材料掺杂剂（如掺铥钇铝石榴石（Tm:YAG）、钬-铬-铥-三掺杂钇铝石榴石（Ho:Cr:Tm:YAG）等，用于医疗、军事、气象学等领域）、上转换奈米粒子（英语：Upconverting nanoparticles）掺杂剂、便携式X射线机（铥-170）、金属卤化物灯等 | 0.52 |
| 70 | Yb | 镱 | Ytterbium | 源自瑞典伊特比村之名。 | 雷射材料掺杂剂、光纤掺杂剂、不锈钢掺杂剂、原子钟、上转换奈米粒子（英语：Upconverting nanoparticles）掺杂剂、便携式X射线机（镱-169）、监测地震的应力计、红外线火焰干扰装置（英语：Flare (countermeasure)）等 | 3.2 |
| 71 | Lu | 镥 | Lutetium | 源自法国村镇Lutetia之名（为现今巴黎）。 | 石油流化催化裂化催化剂、PET的闪烁体、镏铝石榴石（英语：Lutetium aluminium garnet）（LuAG，用于雷射器、透明陶瓷（英语：Transparent ceramics）、LED磷光体等）、癌症的放射治疗（镏-177）等 | 0.8 |
稀土元素都是作为矿物成分之一、而不是以纯元素态被发现的，第一个被发现的稀土矿物是由瑞典军官（业馀地质学家和化学家）卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯（英语：Carl Axel Arrhenius）于1787年在瑞典伊特比村（Ytterby）的一个采石场发现的，以其发现地将该矿物命名为“ytterbite”（在1800年更名为gadolinite，中文称作矽铍钇矿）。[14]
阿列纽斯所发现的“ytterbite”被交到瑞典奥布皇家学院教授约翰·加多林手上，加多林从矿石中分离出了一种未知的氧化物，他将其称为yttria（即氧化钇）。而另一位瑞典分析化学家安德斯·古斯塔夫·埃克贝格（英语：Anders Gustav Ekeberg）从矿石中分离出铍，但未能识别出矿石中其他的元素。在前项1794年的发现后，化学家永斯·贝吉里斯和物理学家兼化学家威廉·希辛格重新研究了从瑞典里达尔许坦（英语：Riddarhyttan）附近的巴斯特纳斯挖掘出的矿物，该矿物原先被认为是铁钨矿物。1803年，两人从中得到了一种白色氧化物，取名为ceria（二氧化铈）。此外，普鲁士王国化学家马丁·克拉普罗特也独立发现了相同的氧化物，他称其为ochroia。
因此，直到1803年已发现两种稀土元素：钇（yttrium）和铈（cerium），但研究人员又花了30年的时间才确定这两种氧化物（ceria和yttria）中含有其他未知的元素（由于稀土元素间相似的化学性质，导致难以将它们相互分离）。
1839年，永斯·贝吉里斯的助手卡尔·古斯塔夫·莫桑德（英语：Carl Gustav Mosande）通过加热硝酸盐并将产物溶解硝酸中，将ceria样品中不溶于硝酸的二氧化铈分离了出来，他将溶解于硝酸中的氧化物称为lanthana（氧化镧）。他又花了3年时间把lanthana进一步分离成didymia（氧化镨钕（英语：didymia））和纯的氧化镧。Didymia实际上仍为多种稀土氧化物的混合物，但以莫桑德当时的技术无法将其进一步分离。
1842年，莫桑德将yttria分离成三种氧化物：纯的yttria、terbia（当时指氧化铒）和erbia（当时指氧化铽），三者名称均源于伊特比村之名。他将形成粉红色盐类的稀土命名为terbium（当时指铒），形成黄色过氧化物的稀土则命名为erbium（当时指铽）。
因此在1842年，已知的稀土元素数量共有六种：钇（yttrium）、铈（cerium）、镧（lanthanum）、didymium、铒（erbium）和铽（terbium）。
另外，1839年时人们在帝俄乌拉山脉南部的米阿斯发现了第三个稀土元素的来源，是一种类似于矽铍钇矿的矿物，被命名为uranotantalum（如今称为samarskite，中文称作铌钇矿（英语：Samarskite-(Y)））。该矿物被德国籍矿物学家古斯塔夫·罗斯（英语：Gustav Rose）留下记录。1847年，俄罗斯化学家R. Harmann在对铌钇矿进行分析后提出在该矿物中存在一种类似于铌和钽的新元素，并将其命名为“ilmenium”（源自乌拉山脉的伊尔门山）。但后来瑞典矿物学及化学家克里斯蒂安·威尔海姆·布隆斯特兰德（英语：Christian Wilhelm Blomstrand）、瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（英语：Jean Charles Galissard de Marignac）和德国矿物学家海因里希·罗斯（英语：Heinrich Rose）证明ilmenium只是铌和钽的混合物。
在1842年后的30年间，稀土元素领域并没有进一步的发现。当时didymium被视为一个元素并列入元素周期表中，分子量为138。
1878年，让-夏尔·加利萨·德马里尼亚将从矽铍钇矿取得的硝酸铒分段结晶（英语：Fractional crystallization (chemistry)）后，从中发现不同于粉红色氧化铒的白色结晶，将其命名为ytterbia（氧化镱），并推断其是一种名为ytterbium（镱）的新元素形成的化合物。[15][16][17]
1879年，马克·德拉方丹利用原子发射光谱法在didymium中发现了几条新的谱线，据此推测didymium并非纯元素，而是混合物。同年，保罗·德布瓦博德兰从铌钇矿（samarskite）中提炼出的didymium样本中分离出了新元素钐（samarium），但仍无法证实关于didymium本身非纯元素的猜测。
同样于1879年，拉斯·弗雷德里克·尼尔森和他的团队从黑稀金矿（英语：euxenite）和矽铍钇矿中通过光谱分析发现并分离出新元素钪。[18][19]接著瑞典化学家佩尔·特奥多尔·克里夫（英语：Per Teodor Cleve）对尼尔森分离出钪后的含铒残馀物进行光谱分析，并使用莫桑德的方法从氧化铒中分离出了两种新物质，分别为绿色及棕色。克里夫将棕色物质命名为holmia（氧化钬），绿色物质命名为thulia（氧化铥）。[20]
1884年，卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫（英语：Carl Auer von Welsbach）从不纯的didymia中分离出氧化镧后，对提纯后的didymium复盐进行分段结晶。历经极度费时费力的百馀次分段结晶后，韦尔斯巴赫最终于1885年成功地将didymium盐拆分为二，并以光谱学手段证实其确为两种不同元素的盐。[21][22][23][24]韦尔斯巴赫将量较多且盐为浅紫色者命名为neodidymium（钕，意为新的didymium）；盐为绿色者则命名为praseodidymium（镨，意为绿色的didymium）。之后两个新元素的名称很快地被简化为neodymium和praseodymium。
1886年，德布瓦博德兰再度对samaria（氧化钐）进行分离程序并有了新发现，同时让-夏尔·加利萨·德马里尼亚通过直接对铌钇矿进行分离亦得到了类似的结果，他们以约翰·加多林的名字将新元素命名为gadolinium（钆），钆的氧化物则命名为gadolinia。同年，德布瓦博德兰使用分段沉淀法从氧化钬中分离出了一种新元素的氧化物，并将新元素命名为dysprosium（镝）。[25][26]
1886年至1901年，英国物理学家及化学家威廉·克鲁克斯、保罗·德布瓦博德兰和法国化学家尤金·德马塞对samaria、yttria和铌钇矿做进一步的光谱分析，得出了几条新的光谱线，表明其中仍有未知元素存在。1901年，以分段结晶法从这些氧化物中分离出了新元素铕。
1902年，捷克化学家博胡斯拉夫·布劳纳（英语：Bohuslav Brauner）发现周期表所有相邻的已发现稀土元素中，钕和钐之间的性质差异是最大的，因此他推测两者之间有一个未知元素。[27]
1907年，法国化学家乔治·佑尔班（英语：Georges Urbain）将德马里尼亚发现的ytterbia又分离成两种氧化物：neoytterbia和lutecia。Neoytterbia后来被确认只是更纯的氧化镱，而lutecia则是新元素lutecium（镏）的氧化物。至此，已发现的稀土元素数量达到了16种。
当时科学家们并不清楚稀土元素的确切数量，估计最多可能有25种。1913-1914年，英国物理学家及化学家亨利·莫斯利使用X射线发射光谱法（英语：X-ray emission spectroscopy）测量了多种化学元素的电磁波谱，发现一个元素原子的电子层受激发后产生的X射线的频率之平方根与该元素的原子序数成线性比（称为莫斯利定律）。莫斯利测定出了当时所有已发现元素的原子序数，确定在碱土金属钡（56号）和过渡金属钽（73号）之间应当有16个元素存在，而该范围内除了61号元素和72号元素尚属未知之外，其馀14个元素都已经被发现，即前述16种已发现的稀土元素中除去21号的钪和39号的钇后所剩下的14种（即今日所谓的镧系元素）。此一研究成果证实了先前布劳纳的猜测，即在钕（60号）和钐（62号）之间的确存在未知的61号元素。
1911年，乔治·佑尔班声称他在1907年制备的稀土样本中含有72号元素。1921年，英国物理化学家查尔斯·鲁杰利·伯里（英语：Charles R. Bury）根据尼尔斯·玻尔的原子理论，指出72号元素应该并非稀土元素，而是与锆性质相似的IVB族过渡金属，也就是说，72号元素不会在稀土矿物中出现，而应当从含锆和钛的矿石中寻找，该观点得到玻尔等人的支持。1923年，匈牙利化学家乔治·德海韦西和荷兰物理学家迪尔克·科斯特根据玻尔等人的推论，对多种含锆矿石进行了X射线光谱分析，果真在锆石中发现了72号元素铪，证实其并非稀土元素。
至于61号元素在历经多组科学家团队错误的发现报告后，约瑟夫·马陶赫（英语：Josef Mattauch）于1934年提出马陶赫同量异位素规则，推导出61号元素无法形成稳定同位素，在自然界中可能无法大量存在。最终于1945年，雅各布·A·马林斯基（英语：Jacob A. Marinsky）、劳伦斯·E·格兰丹宁（英语：Lawrence E. Glendenin）和查尔斯·D·科耶尔（英语：Charles D. Coryell）在美国柯林顿实验室将铀燃料置于石墨反应炉中辐照后，于其裂变产物中发现了61号元素钷，至此周期表上最后一个稀土元素的空缺终于被补全。[28][29]
稀土金属的主要来源是氟碳铈矿（英语：bastnäsite）、独居石、铈钙钛矿（英语：Loparite-(Ce)）以及红土型离子吸附黏土。虽然稀土元素在地壳中的蕴藏量相对丰富，但与过渡金属相比，稀土金属更加难以开采和提炼（原因包括其在地壳中分布稀散，且彼此间化学性质非常相似，难以分离），而使得稀土金属的价格相对昂贵。早期科学家主要是通过反复沉淀或结晶来分离、萃取出个别的稀土金属，不但难度高、成本高且费时耗力，因此当时稀土金属在工业上的应用非常有限。[30]历史上稀土元素的早期用途大多使用多种稀土混合而成的合金，例如混合稀土金属、铈铁（英语：Ferrocerium）合金等，以减少分离成本。至今混合稀土金属仍大量用于石油流化催化裂化等领域。
在1940年代，美国的法兰克·史彼丁（英语：Frank Spedding）等人在曼哈顿计划执行期间开发出化学离子交换程序来分离和提纯锕系元素，从铀、钍、锕等核反应炉所产出的锕系元素混合物中分离出钸-239（英语：plutonium-239）和錼。钸-239是一种可裂变物质，在军事及工业上有巨大的需求。该方法后来也被用于提取稀土元素。在离子交换和溶析法（英语：elution）等高效的分离技术面世之后，稀土元素才开始在各个领域中展露头角，在产业中的重要性大幅提升。
如今，科学家已不使用铈组和钇组的分法，而是以原子序数作为分类的标准：原子序数较低者称为轻稀土元素（light rare-earth elements，LREE），高原子序数者则称为重稀土元素（heavy rare-earth elements，HREE），但对于两类的分界点尚无统一的标准。[34]通常，原子序数从57（镧）到63（铕）者为轻稀土元素，原子序数大于63者则是重稀土元素。[35]由于钇的离子半径及化学性质和重镧系元素非常相近，亦被归类为重稀土元素。[36]因此轻稀土元素相当于过去的铈组，重稀土元素相当于钇组。至于钪的离子半径太小，化学性质与其他稀土元素相比差异较大，故一般既不列入重稀土也不归于轻稀土序列。[37][38]此外，原子序数居中的钐、铕和钆有时会被称为中稀土元素（middle rare-earth elements，MREE）。[39]
矿床中重稀土元素的含量通常比轻稀土元素来得稀少，因此价格相对高得多。[40]
在1948年以前，世界上大部分稀土都产自印度和巴西的漂砂沉积矿场。到 1950年代，世界上的稀土则产自南非西开普省Steenkampskraal矿场（英语：Steenkampskraal mine）内的独居石礁矿石。[41]从1960年代到1980年代，位于美国加利福尼亚州的Mountain Pass矿场（英语：Mountain Pass Mine）让美国成为主要的稀土生产国。印度和南非的矿场在今日仍然生产一些稀土精矿，但其规模无法与中国的生产规模相比。中国的储藏量占全世界的23%[42]，但在2017年所生产的稀土数量占全世界的81%，主要生产地点在内蒙古。[4][43] 。澳大利亚的产量占世界的15%，是世界第二大，也是中国以外唯一的主要生产国。[44]世界上所有的重稀土元素（如镝）都产自中国，例如白云鄂博矿区（包含多种稀土金属矿物）。[43][45]位于西澳大利亚州北部霍尔斯溪（英语：Halls Creek）东南160公里处的布朗斯山脉矿山（Browns Range mine）目前正在开发中，并有望成为中国以外第一个重要的镝生产矿区。[46]
由于世界对于稀土元素的需求增加导致供应紧张，人们日益担心可能很快将会面临短缺的情况。[47]从2009年起的几年之内，全球对稀土元素的需求预计每年造成超过40,000公吨的短缺，因此必须积极开发。[48]根据2013年的报导，由于欧盟对这些元素的依赖、稀土元素又无法被其他元素替代，加上稀土元素的回收率低，世界对于这类元素的需求更会强化。由于需求增加，供应不足，将来的价格还会有更进一步上涨的可能，而中国以外的国家也会开发新的稀土矿场。[49]此外，由于稀土对于新创科技开发很重要，世界对于它们的需求更会增长。这些在生产时需要用到稀土元素的高科技设备包括智慧型手机、数位相机、电脑零组件、半导体等，另外如再生能源、军事设备、玻璃制造、和冶金等也需要用到稀土元素。[50]
中国在稀土元素生产具有绝对优势地位，它在21世纪初期的几项行动加深世界对于稀土供应不足的忧虑。[51]具体方面是中国宣布出口管制和打击走私。[52]中国在2009年9月1日宣布计划在2010-2015年把出口配额减少至每年3.5万公吨，以节约稀有资源和保护环境[53]，《中国日报》在2010年10月19日援引一位不具名的商务部官员的话报导说，中国“明年将进一步减少稀土出口配额，最多达到30%，以保护这种珍贵元素，避免过度开发。”[54]中国政府进一步透过加强控制，迫使规模较小的独立矿业公司为免予关闭而被并入国有企业。2010年底，中国宣布2011年上半年稀土出口配额为14,446公吨，比前一年同期的出口配额减少35%。[55]进一步于2011年7月14日宣布降低下半年出口配额，全年度出口总量为30,184公吨，而全国总产量的上限定为93,800公吨。[56]2011年9月，中国宣布把8个主要稀土矿中的3个停产，这3个矿场产能占中国稀土总产量近40%。[57]美国、欧盟、和日本在2012年3月透过世界贸易组织（WTO）就此出口和生产限制与中国对质。中国回应说这些限制的动机是出于环保考量。[58][59]中国在2012年8月又宣布进行20%的减产[60]美国、日本、和欧盟在2012年向WTO对中国提起联合诉讼，认为中国不应缩减如此重要的出口。[59]
稀土价格因其他国家（澳大利亚莱纳斯公司辖下矿场和和美国的Molycorp（英语：Molycorp）辖下矿场）的新矿场开工而导致下跌。[61]氧化镝的价格在2011年为994美元/公斤，但在2014年跌至265美元/公斤。[62]
WTO在2014年8月29日裁定中国违反自由贸易协定，WTO在主要调查结果摘要中表示“中国对国外和国内限制的总体效果，是鼓励国内开采并确保中国国内制造商能优先使用这些产品。”中国在2014年9月26日宣布会根据WTO裁决行事，但需要一些缓冲时间。然后到2015年1月5日，把所有稀土出口的配额取消，但出口者需要申请出口许可证。[63]
2019年，中国供应全球17种稀土粉末需求的85%至95%，但其中一半的精矿是由缅甸供应。[64][65]缅甸历经2021年军事政变后，未来在关键矿石的供应可能受到限制。此外，有人猜测中国应对美国和欧盟国家实施的经济制裁，可能会再次减少稀土出口。稀土元素是电动汽车制造和高科技军事应用的关键材料。[66]
由于世界需求增加和中国对于出口的限制，一些国家正在储备稀土资源。[67]不断在澳大利亚、巴西、加拿大、南非、坦桑尼亚、格陵兰、以及美国寻找替代来源。[68]这些国家/地区的矿场在1990年代因为中国不断把稀土的价格压低而被迫关闭。由于重新生产需要克服很多进入壁垒（英语：barriers to entry），这些矿场需要几年的时间才能开始生产。[52]其中一例是位于加利福尼亚州的Mountain Pass矿场在2012年8月27日宣布在重新启动阶段的基础上恢复运营。[69]中国以外正在开发的其重要矿场包括有南非的Steenkampskraal矿场，这儿蕴藏世界上品质最高的稀土和钍矿，正准备恢复生产中，有超过80%的基础设施已经完成。[70]其他矿场包括澳大利亚中部的Nolans项目，美国阿拉斯加州博坎山（英语：Bokan Mountain）项目，加拿大北部偏远的Hoidas Lake（英语：Hoidas Lake）项目，[71]和澳大利亚韦尔德山（英语：Mount Weld）项目[43][69][72]]Hoidas Lake项目具有潜力可提供北美洲需求的10%（价值10亿美元）。[73]越南在2010年10月与日本签署协议，预定从其西北部的莱州省供应日本稀土。[74]
美国的矿业公司NioCorp Development Ltd已启动一项不很确定结果的工作，试图能取得11亿美元资金，[75]用于内布拉斯加州东南部的Elk CreekElk（英语：Creek, Nebraska）矿场开采铌、钪、和钛矿[76]，预计这个矿场可生产每年达7,200公吨的铌铁和95公吨的氧化钪。[77]
被考虑开发的矿区还有加拿大西北地区的托尔湖（英语：Thor Lake），和在越南的几个地点。[43][48][78] 此外在2010年，在格陵兰南部的Kvanefjeld（英语：Kvanefjeld）发现有大型稀土矿床存在。[79]在该地点进行的可行性钻探证实有大量的黑色异霞正长岩（lujavrite），其中含有约1%的稀土氧化物 (REO)。[80]欧盟曾敦促格陵兰限制中国在那里开发稀土项目，但截至2013年初，格陵兰政府表示没有实施此类限制的计划。[81]许多丹麦政界人士担忧在不久的将来包括中国在内的国家可能会在人口稀少的格陵兰取得影响力。[82][83]在西班牙中部的雷阿尔城省，拟议名为“Matamulas稀土开采”项目，据其开发商声称可提供的稀土数量高达2,100公吨/年（占欧盟每年需求的33%）。但由于地方当局考虑到当地社会和环境问题，项目遭到要求而暂停。[84]
在澳洲证券交易所（ASX）挂牌的公司Peak Resources于2012年2月宣布，他们所拥有位于坦桑尼亚的Ngualla（英语：Ngualla）项目，不仅拥有中国以外蕴藏量第6大的矿床，而且稀土元素的品质极佳。 [85]
在2011年初，报导称澳大利亚莱纳斯公司在马来西亚半岛地区东海岸工业港关丹“匆忙完成”一座耗资2.3亿美元的稀土精炼厂。这座工厂将提炼来自澳大利亚韦尔德山的镧系元素精矿。精矿先被卡车运到弗里曼特尔港口，然后经由货柜船运到关丹卸货。莱纳斯公司预计这座工厂在两年内能精炼出的稀土元素可满足中国以外各国需求量的近3分之1。[88][89]关丹的开发项目重新引起了人们对马来西亚霹雳州红泥山的关注，那里曾有三菱化学控股子公司Asian Rare Earth所经营，于1994年关闭的稀土矿场，这座矿场留下持续的环境和健康问题。[90][91]马来西亚政府在2011年中，因为抗议事件而宣布给予莱纳斯工厂限制，当时援引道琼斯公司所属的《巴伦周刊》仅供订户阅读的报导称莱纳斯公司总共投资7.3亿美元，工厂产预计可占全球市场需求“大约达到6分之1。” [92]针对工厂处理的稀土元素可能有放射性危害的担忧，马来西亚政府发起并经国际原子能机构 (IAEA) 于2011年进行的独立审查，并没发现有不符合国际辐射安全标准的情况。[93]
然而马来西亚当局证实截至2011年10月，莱纳斯公司未获得任何进口稀土矿的许可证。2012年2月2日，马来西亚原子能许可委员会（英语：Atomic Energy Licensing Board）（AELB）建议颁发临时许可证给予莱纳斯公司。莱纳斯公司最终在2014年9月2日获得AELB颁发的完整运营许可证（有效期2年）。
在爱沙尼亚锡拉迈埃已经营运50年的铀矿、页岩、和铈钙钛矿开采过程中积累的尾矿中发现有相当数量的稀土氧化物。[94]由于国际稀土价格上涨，从这些氧化物中提取稀土已具经济价值。目前爱沙尼亚每年出口约3,000公吨，约占世界产量的2%。[95]据信在美国西部的淘金潮时代的矿山曾留下大量当时被认为没价值的尾矿，其中或许存有大量的稀土。[96]
日本两所大学的研究人员在2012年5月宣布，他们在日本爱媛县发现稀土。[97][98]
一艘日本深海科考船在2013年1月从南鸟岛以南约250公里（160英里）深度5,600至5,800米的太平洋海床取得7个深海泥芯样本。[99]研究小组在海床下方2至4米处发现一个地层，其中稀土氧化物的浓度达到0.66%。潜在矿床的等级可能与中国南方的离子吸收型矿床相媲美，后者提供中国大部分的稀土元素产出，而稀土矿浓度仅在0.05%至0.5%之间。[100][101]
在全球，大多数的稀土元素用于催化剂和磁铁。[108]在美国，超过一半的稀土元素用作催化剂，也在陶瓷器、玻璃、和抛光大量使用。[109]
稀土元素的其他重要用途适用于高性能磁铁、合金、玻璃、和电子产品的生产。铈和镧是重要的催化剂，用于石油精炼和柴油污染物还原剂之用。钕在传统和低碳技术的磁铁生产上很重要. 这一类别的稀土元素用于油电混合车辆和电动汽车的马达、风力发动机的发电机、电脑硬盘、便携式电子产品、麦克风、扬声器。
铈、镧、和钕对于合金、燃料电池、和镍氢电池的制造很重要。铈、镓和钕对于电子产品的制造很重要，用在液晶显示器（LCD）和电浆显示器（Plasma Display Panel）、光纤、雷射装置、[110]以及医学影像。稀土元素另可用在医疗应用、肥料、和水处理的示踪剂。[36]
稀土元素被用于农业，以提高作物生长、生产力、和抗压性，而且在经使用后似乎对人类和牲畜并无负面影响。中国广泛把富含稀土元素的肥料用于农业生产。[111]此外，稀土元素做饲料添加剂使用，可让牲畜的体型增大，乳和蛋类的生产增加。然而这种做法导致牲畜体内稀土元素生物累积，并影响到相关农业区的植被和藻类生长。[112]虽然在目前的低浓度情况下并未观察到有不良影响，但随著时间的推移的长期和积累的影响尚无法预测，而促使有人呼吁对其可能的影响应该进行更多的研究。[111][113]
由于稀土元素的供应量有限，不同行业之间发生直接的资源竞争，例如电子行业与再生能源产业中的风力发电厂、太阳电池模板发生直接竞争。[114]
在自然环境中的稀土元素浓度非常低。蕴藏这类资源的矿山通常位于环境和社会标准非常低的国家，因为矿山的开发，而导致有侵犯人权、森林砍伐的事情，并且污染到当地的土地和水源。[114][115]
在采矿和工业生产场所附近，稀土元素的浓度会上升到正常背景水准的许多倍。稀土元素一旦进入环境，就会渗入土壤中，然后它们的迁移取决于多种因素，例如侵蚀作用、风化作用、pH值、降水和地下水等。如同金属一样，它们可根据土壤条件形成，无论是移动，或是被吸附到土壤颗粒中。根据它们的生物利用度，稀土元素可被植物吸收，然后被人类和牲畜摄入。对于稀土元素的开采，使用（ 肥料添加剂）和磷肥的生产，都会导致稀土元素污染 。[116]此外，在萃取稀土元素的过程中会用到强酸，而这些酸会渗入环境，并通过水体而导致水生环境酸化。另一种会导致稀土元素污染环境的是氧化铈 (CeO2) 添加剂，它在柴油燃烧过程中产生，成为废气颗粒物释入大气，严重导致土壤和水的污染。[112]
对于稀土元素的开采、提炼和回收，如果管理不当，会对环境造成严重后果。稀土元素尾矿中的钍和铀因有低放射性，而存有潜在危害，[117]这些物质如果处理不当，会对环境造成广泛的伤害。中国在2010年5月宣布对非法采矿进行为期5个月的重大取缔行动，以保护环境及其资源。预计这场取缔行动会集中在中国的南方，[118]那里的矿山（通常是小型、农村式以及非法者）特别容易会把有毒废物排放到一般供水中。[43][119]然而，即使是位在内蒙古包头的主要生产基地也造成严重的环境破坏。[120]工业和信息化部估计清理江西省的稀土污染成本就高达55亿美元。[115]
虽然可透过各式过滤方法把采矿场随著废水流出的稀土元素回收，但并非每个采矿场的废水排放出口一定会按照规定装设过滤和回收的设备。[121][122][123]
开采稀土元素会对生产区周围的土壤和水造成污染，附近植被的叶绿素减少，光合作用受到影响，植物的生长受到抑制。[112]但是植物受到影响的程度会因当地植物的种类而异：有些植物会吸收而保留稀土元素，有些则不会。此外，植被吸收稀土元素的能力也依土壤中的稀土元素种类而定，整个过程受到许多因素的影响。[125]植被中主要受到稀土元素污染影响的是农作物，其中苹果和甜菜最会吸收和储存稀土元素，[116]稀土元素也会渗入水生环境而被水生植物吸收，并发生生物积累，有可能进入牲畜和人类的食物链。其中一例是中国的布袋莲，由于在附近的农业区使用富含稀土元素的肥料，水生环境受到污染，而布袋莲所含铈的浓度比周遭的水中高出3倍。[125]
所谓稀土元素是一组元素，各有其不同特性，在不同的环境中有不同的浓度。因为这种原因，再加上研究有限，很难确定什么是人类的安全暴露水准。[126]有几项研究都侧重于曝露途径，以及与附近农业、矿场及工业生产的背景水准而做的风险评估。[127][128]已有资料证明许多稀土元素具有毒性，并且存在环境或工作场所中。接触这些物质会引发广泛的负面健康后果，例如癌症、呼吸系统疾病、牙齿脱落，甚至是死亡。[49]然而稀土元素种类众多，以不同的形式和不同的毒性水准存在，因此很难做针对癌症风险和毒性发出全面警告，因为其中有些无害，而另一些则具有风险。[126][128][127]
毒性似乎是因为大量接触，透过摄入受到污染的食物和水，或是因为职业危害/接近受到污染的场所（譬如矿场或是城市）而吸入粉尘/烟雾颗粒而导致。因此这些居民主要面临的问题是稀土元素的生物累积及其对呼吸系统的影响，但总体而言，可能还另存在其他短期和长期的健康影响。[129][112]研究发现，生活在矿山附近的中国人与远离矿区的对照组相比，其血液、尿液、骨骼和头发中的稀土元素含量要高出许多倍。这种高稀土元素水准的现象与当地人种植的蔬菜、土壤及井水中的稀土元素含量有关联，显示是因为受到附近矿场的影响。[127][128]虽然当地男性和女性体内的稀土元素水准各不相同，但遭遇最大风险的群体是儿童，因为稀土元素会影响儿童的神经发育，影响到他们的智商，并可能导致记忆力减退。[130]
开采稀土和冶炼的过程，会释放氟化物进入大气，它会与总悬浮固体 (TSP) 结合，形成气溶胶，然后进入人体呼吸系统，并造成损害和产生呼吸系统疾病。中国在包头所作的研究显示，接近稀土矿场空气中的氟化物浓度高于世界卫生组织（WHO）所设的上限，因而会影响周围的环境，并对附近居住或工作的人构成威胁。[131]
马来西亚霹雳州红土山居民们指责当地稀土精炼厂对于当地一个有11,000居民的社区，在5年内造成出生缺陷和8例白血病，而当地之前多年并没白血病病例出现过。其中7名白血病患者死亡。精炼厂Asian Rare Earth董事Osamu Shimizu 说：“他的公司曾试图做副产品营销，而试售过几袋磷酸钙肥料；磷酸钙本身没放射性，也不危险”，一位红土山的前居民说，“[用那种肥料帮助生长]草类饲养的乳牛全都死了。”[132]马来西亚最高法院于1993年12月23日裁定，并无证据显示这家Asian Rare Earth曾污染当地环境。[133]
把实验大鼠暴露于各种铈化合物的实验发现，铈主要会在在肺和肝脏中积累，而导致这些器官发生相关的负面健康结果。[134]把稀土元素添加到牲畜饲料中可增加牲畜的体型以及产乳量。[134]这类元素最常用于增加猪的体型，并发现可提高猪消化系统的消化率和营养吸收率。[134]研究指出稀土元素的毒性与正面影响间有剂量因素存在。虽然来自环境的微小剂量或适量使用似乎没不良影响，但已经证实大剂量对所积聚的器官有负面影响。[134]中国的稀土开采过程导致部分地区发生土壤以及水的污染，当这些物质进入水体时，可能会在水生生物群中产生生物累积。再者，有些处在受到稀土元素污染地区的动物被诊断出有器官或是身体系统的问题。[112]稀土元素因可保护鱼类免受疾病的侵害，已被用于淡水水产养殖。[134]稀土元素被广泛添加到牲畜饲养的主要原因是因为它们比无机饲料增强剂具有更好的效果。[135]
在1982年红土山放射性污染事件（英语：1982 Bukit Merah radioactive pollution）之后，这座矿山在2011年一直处在需要花费1亿美元做清理工作的焦点。在完成山顶数量达11,000卡车量放射性污染材料的掩埋后，预计还要在2011年夏天把“80,000多装有放射性废物的钢桶移至山顶储存区。” [91]
福岛第一核电站事故发生之后，因为在关丹的莱纳斯公司精炼场有放射性废物，而在2011年5月发生过广泛的抗议活动。这座工厂要加工的矿石中钍的含量非常低，公司创始人兼首席执行官尼古拉斯·柯蒂斯（Nicholas Curtis）说：“对公共健康绝对没风险。” T. Jayabalan是当地的医生，他说他一直在监测和治疗受三菱工厂影响的患者，“他对莱纳斯公司的保证抱持审慎的态度。”他说，关于矿石中钍的含量低，会比较安全的论点并没意义，因为辐射暴露会有累积的效果。”[132]建厂工作在联合国国际原子能机构（IAEA）独立小组调查完成前暂时停止，调查预计在2011年6月结束。[136]马来西亚政府在当年6月下旬宣布增加新的限制。[92]
IAEA小组的调查完成后，建厂工作未遭制止。莱纳斯公司在2011年依照原预算以及原日程开始生产。IAEA在2011年6月发布的报告，结论是它没有发现有“任何不合规”的情况，而且这个项目“符合国际辐射安全标准”。[137]
如果矿场遵循安全标准行事，对于开采工作的影响相对较低。后来宣告破产的Molycorp经常会采用比当时环境法规更高的标准，目的是改善公司的公众形象。[138]
在格陵兰的Kvanefjeld，由于环境问题，是否可开办新的稀土矿场，仍存有重大争议。[139]
中国在全国打击稀土矿物生产所列出的官方理由是资源会枯竭，以及相关环境问题。[57]但中国的稀土政策也被认为具有非环境的动机。[120]根据《经济学人》的报导，“中国削减稀土金属出口……是为了把中国制造商推升到供应链的上游，这样他们就可向世界出售有价值的制成品，而非廉价的原材料。”[140]此外，中国目前在世界稀土价值链中已具有垄断地位[141]（把原矿石透过精炼厂和加工厂转化为有价值的元素[142]）。用1970年代末至80年代末的中国政治家邓小平的话来说，“中东有石油，中国有稀土……这些元素具有极其重要的战略意义，一定要搞好稀土产业，充分发挥我国稀土资源优势。”[143]
中国具有市场控制地位的一个例子是美国通用汽车的磁体小型化研究部门，于2006年把美国办公室关闭，然后把所有员工迁往中国[144]（中国的出口配额仅适用于稀土原料，对于如磁铁的制成品并无限制）。
据报导[145]（但中国官方否认）[146]中国应对一名中国渔船船长遭受日本海上保安厅拘留，(参照中国渔船与日本巡逻船钓鱼岛相撞事件）于2010年9月22日制定一项禁止向日本出口稀土氧化物（而非合金）的禁令，[147][59]而在2010年9月2日，也就是渔船事件发生前几天，《经济学人》报导称，“中国……在7月宣布一系列年度出口削减措施中的最新一项，这次是减少40%，精确的说是30,258公吨。“[59]
美国能源部在2010年关键材料战略报告中把镝确定为美国依赖进口原料中最具关键地位者。[148]
由美国地质调查局和美国内政部发布的2011年《中国稀土产业》报告中，对中国的产业趋势做出概述，并审查中国指导未来生产的政策。报告指出中国在稀土产业处于领先地位。 1990年中国在此类矿产的数量仅占世界的27%，而到2009年，世界产量为13.2万公吨，中国产量为12.9万公吨（即占比高于97%）。报告称，近期的模式表明中国将减缓此类材料的出口：“由于国内需求的增加，政府在过去几年逐渐减少出口配额。” 中国在2006年允许47家国内稀土生产商和贸易商，以及12家中外合资稀土生产商出口，管制逐年收紧；到2011年，只有22家国内稀土生产商和贸易商，以及9家中外合资稀土生产商取得核准。政府的政策可能会继续维持严格的出口管制：“根据中国的稀土发展规划草案，2009年至2015年期间稀土年产量可能会控制在13万至14万公吨之间。出口配额可能在35,000公吨左右，政府可能允许20家国内稀土生产商和贸易商从事出口。”[148]
美国地质调查局（USGS）在美国军队的保护下积极调查阿富汗南部的稀土矿床。从2009年起，USGS进行遥感调查和实地调查，以验证当年苏联声称当地存有含稀土元素火山岩的说法。USGS研究小组在一座死火山的中心找到一片相当大的岩石区域，其中含有铈和钕等轻稀土元素。估计适合开采的矿石有130万公吨，可满足目前水准长达10年的需求量。五角大厦估计其价值为约为74亿美元。[149]
有人认为在再生能源地缘政治的文献中，稀土的地缘政治重要性遭到夸大，而把扩大生产的经济诱因力道予以低估。[150][151]由于钕在制造风力发动机中的永磁体占有重要地位，有人认为这元素将会在依靠再生能源世界中的地缘政治上成为重要的竞争目标。但这种观点因未能体认大多数风力发动机具有齿轮，并未使用永磁体，因而受到批评。[151]
However, in contrast to ordinary base and precious metals, REE have very little tendency to become concentrated in exploitable ore deposits. Consequently, most of the world's supply of REE comes from only a handful of sources.
. PMID 32947815. doi:10.3390/ani10091663 （英语）.. doi:10.1016/j.apsusc.2019.01.208. （原始内容存档于2022-04-10）..China is the world’s dominant producer of rare earths, a group of 17 minerals used in consumer electronics and military equipment. But it relied on Myanmar for about half its heavy rare earth concentrates in 2020, says Adamas Intelligence managing director Ryan Castilloux.
It follows the recommendation from the Mackenzie Valley Environmental Review Board in July, and marks a major milestone in the company's effort to turn the project into an operating mine. Avalon claims Nechalacho is “the most advanced large heavy rare earth development project in the world”.
The Lynas plant is expected to meet nearly a third of world demand for rare earths, excluding China.
. See production in Figure 1 on page 2
（英语）.. PMID 23516020. doi:10.5491/shaw.2013.4.1.12. （英语）. （英语）.. PMID 28852170. doi:10.1038/s41598-017-10256-7 （英语）...| 外部媒体链接 | |
|---|---|
| 音频 | |
 "Rare Earths: The Hidden Cost to Their Magic", Distillations Podcast and transcript, Episode 242, June 25, 2019, Science History Institute | |
| 视频 | |
 “10 ways rare earth elements make life better”, animation, Science History Institute | |
| Rare Earth Elements: The Intersection of Science and Society, presentation and discussion led by Ira Flatow, Science History Institute, September 24, 2019 |
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
