钒元素：两次发现与美丽女神凡娜迪丝的渊源

“金属维生素”——钒

（图片来源：新视野）

1. 了解钒

钒曾被两次发现。1801年，墨西哥城矿物学教授杰里米·里瓦首先在铅钒酸盐矿石中发现该元素，并把它送到巴黎进一步研究，但法国化学家得出结论，这是一块被污染的铬矿石。1830年，瑞典化学家塞夫斯特伦在瑞典斯莫兰矿区研究铁矿石时，在被酸溶解的黑色残渣中再次发现了钒。由于它的化合物色彩鲜艳、美丽，因此以北欧神话中美丽的女神“凡娜迪丝”的名字命名。

图 1 左为 Jielie Riva，右为 Sefstrom

（图片来源：百度百科）

钒（V）位于元素周期表第四周期第五副族，属于第一排过渡金属，在自然界中有四种氧化态（+2、+3、+4、+5），在地核中可能为0。钒是地球上分布广泛的微量元素之一，主要存在于磁铁矿、磷矿、含铀砂岩和粉砂岩矿床中，在铝土矿、石油、煤、油页岩、石煤、油砂等富含有机碳物质中含量也较高，但迄今尚未发现独立的钒矿物。

图2 钒的物理化学性质

2. 开拓“钒蓝海”

出色的性能

钒是银灰色、难熔、不挥发的稀有金属，兼具刚性和柔韧性，价态活泼多变，有多彩的光泽。高纯钒质地坚硬，无磁性，具有延展性好、不氧化、质轻等特点。加入常规金属中制成合金，可显著提高合金的塑性、延展性、柔韧性和强度。

图3 a高纯钒（来源：返利网）；b硅氢钒钙石（来源：百度图片）；c钒矿（来源：画板网）；d钒钙铀矿（来源：百度图片）

应用领域广泛

钒在钢铁工业、冶金化工、航空航天、国防工业、医药、颜料、玻璃、新能源电池等领域有重要用途，被誉为“金属维生素”、“化学面包”和“现代工业的味精”。

图4 2001-2019年我国钒消费结构变化

（数据来源：中国钢铁协会、中国钢铁研究总院、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，我国约90%的钒用于钢铁工业。采用含钒微合金化钢，不仅能大幅度提高产品的强度、韧性、耐高温、耐腐蚀性能，而且能节省钢材消耗。与普通热轧钢筋相比，含钒钢筋在连铸、加工过程中具有独特的优势，具有抗震性能好、屈强比高、屈服强度波动范围小、伸长率高、弯曲性能好、时效性低、易于焊接等特点。采用（钒）微合金化将钢筋强度由400MPa提高到500MPa，理论上可节省钢筋消耗15%~20%。按照我国钢铁行业平均能耗和碳排放数据计算，平均每年可节约标准煤消耗1.1亿吨以上、减少二氧化碳排放3.7亿吨以上，对推动钢铁行业碳达峰、碳减排具有积极作用。

图5 攀钢含钒钢筋（图片来源：中国钢铁新闻网）

（2）

钒电池

钒电池（全钒液流电池）是一种高效储能、高效率输出的装置。钒电池储能系统由正负极、电解液储罐、离子交换膜组件等部分组成。电流的流动是由电解液中钒离子价态的变化产生的，循环次数可达5000~10000次，是锂电池的10倍以上。钒电池具有比功率高、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、瞬间充电、安全性高、成本低等特点，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“移动电源”。

图6 全钒液流电池概览（来源：百度百科）

图7 采用国产材料的200KW全钒液流电池系统

图8 装有钒电池的容器（来源：经济日报）

（3）

医疗的

钒是人体新陈代谢和牙齿发育所必需的元素，国内外对钒化合物的早期研究主要集中于其降血糖作用，钒能促进糖代谢，促进红细胞生长，具有良好的胰岛素样作用，能保护胰岛细胞，降低体内血糖水平。

图9 钒电池中钒的存储机理

图 10 1 型和 2 型糖尿病的原因（Chatterjee 等人，2013 年）

（4）

钒的同位素

钒同位素有31种，其中50V（0.25%）和51V（99.75%）是天然存在的，其余均为人工合成。作为多价元素，钒同位素在自然界中具有明显的分馏作用，可以作为地球化学示踪剂，用于约束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 钒同位素可以识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，钒与磁铁矿有显著的相容性。在岩浆演化过程中，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 磁铁矿结构中V3+的赋存状态

（图片来源：北京光源科研亮点）

图12 磁铁矿与含水花岗岩熔体之间V同位素分馏系数的实验测定（Sossi et al.，2018）

图 13 冰岛赫克拉熔岩和马里亚纳阿纳塔罕熔岩的 V 同位素组成（Prytulak 等人，2018 年）

图14 基拉韦厄岩浆湖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

钒在地核氧逸度范围内以+2和+3价存在，而钒在金属中以0价存在，因此在地核形成过程中可能会发生钒同位素分馏，通过金属和硅酸盐熔体的平衡实验测定两相的钒同位素组成，可以得到相应的分馏系数。

图 15. 深岩浆海模型（Wood 等人，2006 年）

图16 高温高压实验样品结构图（Zhang et al.，准备中）

③钒同位素在古环境示踪中具有巨大潜力

钒作为一种氧化还原敏感元素，其在沉积物中的富集程度随海水的氧化还原状态而变化。对现代海洋各类沉积物中钒同位素的研究发现，在不同氧化状态的沉积环境中，钒沉积所伴随的同位素分馏完全不同。因此，通过V同位素组成可以示踪局部水体乃至全球海水的氧化还原程度。

图 17 氧化还原敏感的微量元素和海洋-大气氧化还原演变 (Sahoo 等，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，目前储量居世界第一。

据美国地质调查局（USGS）统计，全球已探明钒金属总储量为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，我国钒金属总储量约950万吨，居世界第一。

图19 2020年世界主要国家钒储量分布

（数据来源：美国地质调查局矿产商品摘要，2021 年）

中国钒资源分布主要为钒钛磁铁矿和沉积钒矿资源。

（1）

钒钛磁铁矿

由于V3+的离子半径(0.061nm)与Fe3+(0.063nm)相近，所以自然界中钒以同质异象形式广泛分布于含铁矿物中。目前世界已探明的钒资源主要来源于钒钛磁铁矿，我国钒钛磁铁矿主要分布在四川攀西、河北承德一带，矿床规模巨大。在张家口、内蒙古赤峰、辽宁建平等地也发现了许多超贫钒钛磁铁矿矿床或采场，具有一定的资源开发潜力。

图20 攀枝花钒钛磁铁矿（来源：矿山网）

（2）

沉积型钒矿资源

我国特有的低品位钒资源。指赋存于富含有机质（TOC>5%）、含还原硫（TS>1%）的黑色碳质页岩中，经沉积成矿作用在大陆及大陆边缘海相缺氧环境中形成的钒矿床。常与Ni、Mo、U、P、S、Au、Ag、Ba、PGE等元素一起产出。我国沉积型钒资源十分丰富，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、扬子克拉通东南缘3大沉积型钒矿化带。主要成矿时代为寒武纪。矿床规模以中小型为主，大型钒矿很少。矿石品位低，钒赋存状态复杂，选矿成本高，总体资源禀赋一般。

图21 南秦岭千家坪钒矿体特征。a—条带状钒矿；b—条带状矿体中的泥岩透镜体；c—钒矿层中的磷结核；d—第一岩性剖面条带状矿体与第二岩性剖面泥岩灰岩的接触带（徐林刚等，2022）

据国际钒技术委员会统计，2020年全球钒消费量为10.3万吨金属钒当量。按照目前的消费速度，全球可经济开采的钒金属量只能供人类使用200年。基于ARIMA模型的钒钢相关性和行业需求预测显示，我国钒需求将在2026年达到峰值，需求量为11.62万吨，随后维持10.79万至10.9万吨的高位。

图22 2020~2035年我国钒需求趋势预测