文章转载自“战略性关键金属科普平台”
“金属维生素”——钒
(图源摄图·新视界)
1 认识钒元素
钒先后被两次发现。1801年，墨西哥城的矿物学教授节烈里瓦在钒酸铅矿石中首次发现了这种元素，并将其送到巴黎进一步研究，然而法国化学家推断它是一种被污染的铬矿石。1830年，瑞典化学家塞夫斯特伦在研究瑞典斯马兰矿区的铁矿时，在被酸溶解后的黑色残渣中再次发现了钒。由于其化合物五颜六色，十分漂亮，因此将北欧神话中美丽女神“凡娜迪丝”（Vanadis）的名字赋予了它。
图1 节烈里瓦，左；塞夫斯特伦，右
（图源百度百科）
钒（V）在元素周期表中位于第四周期第五副族，属于第一排过渡族金属。在自然界中具有4种氧化价态（+2、+3、+4、+5），地核中可能为0价。钒是地球上广泛分布的微量元素之一，主要赋存于磁铁矿、磷酸盐岩、含铀砂岩和粉砂岩矿床中。铝土矿、石油、煤、油页岩、石煤和焦油砂等富含有机碳的物质中也呈现较高的含量，但至今尚未发现独立存在的钒矿物。
图2 钒的物理化学性质
2 开辟“钒蓝海”
优异性能多
钒是一种银灰色难熔难挥发的稀有金属。具有刚柔并济的性质，活泼多变的价态，艳丽多彩的光泽。高纯度的钒质地坚硬，无磁性，具有延展性好、不易氧化、质量轻等特性。当它被加入常规金属形成合金时，能显著提高合金的塑性、延展性、柔韧性与强度。
图3 a高纯钒（图源范例网）；b水硅钒钙石（图源百度图片）；c钒铅矿石（图源花瓣网）；d钒钙铀矿（图源百度图片）
应用领域广
钒在钢铁工业、冶金化工、航空航天、国防军工、医药、颜料、玻璃、新能源电池等领域均有重要应用，有“金属维生素”、“化学面包”、“现代工业的味精”之称。
图4 2001-2019年我国钒消费结构变化
（资料来源：中国钢铁工业协会；中国钢研；国家统计局；前瞻产业研究院）
（1）
含钒钢筋
钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂，我国90%左右的钒用于钢铁工业。利用加钒对钢材进行微合金化，既能极大地提升产品的强度、韧性、耐高温性、抗腐蚀性，又可以节约钢材消耗量。相较于普通热轧钢筋，含钒钢筋在连铸、加工等方面具有独特优势，具备抗震性能优良、屈强比高、屈服强度波动范围小、延伸率高、弯曲性能好、低时效、易焊接等特性。利用（钒）微合金化将钢筋强度由400兆帕提升到500兆帕，理论上可节约15%～20%的钢筋消耗量。按照我国钢铁行业平均能源消耗与碳排放数据测算，平均每年可节约1.1亿吨以上标准煤消耗、可减少3.7亿吨以上二氧化碳排放，这对于推动钢铁行业碳达峰及降碳具有积极作用。
图5 攀钢含钒钢筋（图源中国钢铁新闻网）
（2）
钒电池
钒电池（全钒氧化还原液流电池）是一种高效储能和高效输出的装置。钒电池储能系统由正负电极、电解液储液罐、离子交换膜组件等几部分构成。通过电解液中钒离子的价态变化产生电流流动，循环使用次数可达5000次至1万次，是锂电池的10倍以上。钒电池的功率大、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、可瞬间充电、安全性高、成本低，已成为可再生能源储能、电网调峰、备用电源等领域的首选技术之一，被称为“电力银行”。
图6 全钒液流电池概述图（图源百度百科）
图7 全国产化材料200KW全钒液流电池系统
图8 装有钒电池的集装箱（图源经济日报）
（3）
医疗
钒元素在人体新陈代谢、牙齿发育中至关重要。国内外对钒化合物的研究早期多集中于降糖作用。钒可以促进糖的代谢，促进血红细胞生长。具有良好的类胰岛素作用，可保护胰岛细胞，降低体内血糖含量。
图9 钒细胞中钒的存储机制
图10 1型和2型糖尿病的原因（Chatterjee et al., 2013）
（4）
钒的同位素
钒共有31种同位素，其中天然存在的包括50V（0.25%）和51V（99.75%）两个稳定同位素，其余全部通过人工合成。作为多价态的元素，钒同位素在自然界中存在显著分馏，可以作为地球化学示踪剂来制约高温和低温地质过程的物理化学状态，特别是氧化还原条件的变化。目前中国科学技术大学金属稳定同位素实验室可以进行极高精度的钒同位素组成测试。
① 钒同位素可以鉴别磁铁矿控制的地质过程
磁铁矿是地质过程中广泛出现的暗色矿物，钒在磁铁矿中显著相容。岩浆演化过程中，磁铁矿结晶会优先富集50V，导致残余熔体的V同位素组成变重。
图11 V3+在磁铁矿结构中的赋存状态
（图源北京同步辐射装置科研亮点）
图12 实验测定磁铁矿与含水花岗岩熔体之间的V同位素分馏系数（Sossi et al., 2018）
图13 冰岛Hekla和马里亚纳Anatahan熔岩的V同位素组成（Prytulak et al., 2018）
图14 基拉韦岩浆湖的V同位素组成（Ding et al., 2020）
② 钒同位素可以制约核幔分异过程
钒在地核形成氧逸度范围存在+2和+3价；钒在金属中以0价存在，因此地核形成过程可能产生钒同位素分馏。相应的分馏系数可以通过测量金属和硅酸盐熔体平衡实验中两相的钒同位素组成获得。
图15 深部岩浆洋模型（Wood et al., 2006）
图16 高温高压实验样品的结构（Zhang et al., in prep）
③ 钒同位素在古环境示踪方面有巨大潜力
作为一个氧化还原敏感元素，钒在沉积物中的富集程度随海水氧化还原状态的变化而变化。对现代大洋各类沉积物的钒同位素研究发现，不同氧化状态的沉积环境中，钒的沉积过程伴随的同位素分馏截然不同。因此，V同位素组成可以示踪局部水体甚至是全球海水的氧化还原程度。
图17 氧化还原敏感微量元素与海洋-大气氧化还原演化（Sahoo et al., 2012）
图18 海洋沉积物的钒同位素组成（Wu et al., 2020）
3 了解钒资源
钒是我国重要的战略资源，当前储量位居世界第一
据美国地质调查局(USGS)统计，全球已探明的钒矿总金属储量为2200万吨，主要分布在中国、俄罗斯、澳大利亚、南非、巴西、美国等地，其中我国钒矿总金属储量约为950万吨，居世界第一。
图19 世界主要国家2020年钒储量分布
（数据来源：美国地质调查局Mineral Commodity Summaries, 2021）
中国钒资源分布，主要来自于钒钛磁铁矿及沉积型钒矿资源
（1）
钒钛磁铁矿
由于V3+的离子半径（0.061nm）与Fe3+（0.063nm）相近，因此钒在自然界中以类质同象的形式广泛赋存于含铁矿物中。目前，世界上已探明的钒资源量主要来源于钒钛磁铁矿。我国钒钛磁铁矿主要分布于四川攀西与河北承德地区，矿床规模巨大。张家口、内蒙古赤峰、辽宁省建平等地区也发现多处超贫钒钛磁铁矿矿床或矿点，具有一定的资源开发潜力。
图20 攀枝花钒钛磁铁矿（图源矿道网）
（2）
沉积型钒矿资源
我国特有的一种低品位含钒资源。是指赋存于富有机质（TOC> 5%）和还原硫（TS> 1%）的黑色碳质页岩中，通过沉积成矿作用形成于陆内和大陆边缘的海相缺氧环境下的钒矿床，常与 Ni、Mo、U、P、S、Au、Ag、Ba、PGE 等元素伴生产出。中国沉积型钒矿资源非常丰富，主要分布在陕西、湖南、湖北、贵州等17个省区，形成了塔里木克拉通北缘、扬子克拉通北缘和扬子克拉通东南缘三大沉积型钒矿成矿带。主要成矿时代为寒武纪。矿床规模以中小型为主，大型钒矿较少。矿石品位较低，钒的赋存状态较复杂，选冶成本较高，总体上资源禀赋一般。
图21 南秦岭千家坪钒矿矿体特征。a—条带状钒矿石；b—条带状矿石中夹泥质岩透镜体；c—钒矿层中赋存的磷结核；d—第一岩性段条带状矿石与第二岩性段泥质灰岩接触带（徐林刚等，2022）
据国际钒技术委员会统计，2020年全球钒消耗量为10.3万吨金属钒当量。以目前的消耗速度，全球现有可经济开采钒金属量仅能供人类使用200年。钒钢相关性及基于ARIMA模型的部门需求预测表明，2026年我国钒需求量将达到峰值，届时需求量为11.62万吨，随后维持在10.79万~10.90万吨高位震荡。
图22 2020-2035年我国钒需求趋势预测图
