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• 許多科技產品都仰賴稀土元素，但稀土應用目前面臨供應鏈安全不穩定、易造成環境汙染及資源回收困難三大難題。
• 稀土目前在多個科技應用領域扮演關鍵角色，包括磁性材料、光學材料、催化劑、醫療與核能，此外多種新材料皆仰賴稀土元素，因此目前稀土仍有不可替代性。
• 稀土的核心化學特徵包括4f 電子軌域與屏蔽效應、鑭系收縮效應、典型價態與變價行為，科學家將上述化學特性轉化為實際應用功能，連結基礎化學與科技應用。

現代許多科技產品都十分依賴稀土元素（rare earth elements,REEs），從智慧型手機的喇叭、螢幕、電動車的馬達到風力發電機， 都可見它們的身影。稀土元素名稱中的「稀」字，來自於18 世紀末人們最初發現這些金屬時，經常是在稀少且難溶於水的氧化物礦石中被提煉出來。

儘管稀土在地殼中並非最稀有的元素，但分布零散、提煉困難等特性，讓人們認為它們十分珍貴。2020 的年全球稀土氧化物（rare earth oxide, REO）產能約為14萬公噸，市場價值近88 億美元，顯示稀土龐大的需求。除此之外，現階段全球有近九成的稀土永磁材料來自中國，可見這些來自週期表邊緣的元素，已經躍升為戰略等級的關鍵資源。

從週期表邊緣走向戰略核心

曾經位於地質邊陲的稀土元素，因獨特的化學特性，成為了21世紀的新興戰略資源。如今它們已從元素週期表的「邊緣」走向科技與國家安全的「核心」。目前稀土的開發和使用面臨三大課題，分別為供應鏈安全、環境汙染及資源回收。

當前，全球稀土礦石及精煉產業高度集中，稀土永磁材料的主要供應國為中國，市場價格常因當地的地緣政治變動而大起大落，供應鏈安全問題因此備受擔憂。在稀土選冶的過程中，大量使用酸、鹼與有機萃取劑，也容易產生含氟廢水、硫酸鹽等多種汙染物，不僅難以處理，更對環境中的水土造成嚴重損害，是稀土當前面臨的棘手問題之一；也因此，資源回收技術的重要性更加提升，許多科學家正致力於開發更高效的稀土回收技術，從廢舊磁鐵、螢光粉等物質中提煉稀土元素，以因應需求成長和資源有限的問題。

從元素本質屬性的掌握、合理設計新材料、生產過程技術提升到探索永續的資源利用策略，深入理解稀土元素的化學原理都將有助於我們更妥善地運用它們。稀土元素以獨特的電子組態4f 連結起化學基礎與高新技術，更從週期表的邊緣走向了人類科技舞臺的中心。

稀土磁鐵廣泛用於電動汽車、風力發電機等綠能產品的永久馬達，在環保及綠色科技 產業扮演關鍵角色。
（Adobe Stock）

稀土的產業應用

稀土元素在磁性、光學、催化等多個領域扮演關鍵角色。以下介紹產業相關與核心應用領域（資料來源：作者提供）：

發光與光學材料

銪、釤(Sm³⁺)、鏑(Dy³⁺)、鑭

由於4f 電子躍遷產生極窄的線狀光譜，某些稀土離子是理想的螢光體。例如銪的離子躍遷可發出鮮豔的紅光，用於發光二極體（light-emitting diode, LED）顯示器和螢光燈的紅色螢光粉；鏑離子和釤離子則可產生綠光或橙光，用於照明和顯示器中。鑭本身具有較低的熔點和高折射率，因此常用於製作高端光學玻璃、照相機鏡頭和X 射線閃爍體。由此可知，稀土元素支撐了我們日常生活中豐富多彩的顯示與照明技術。

醫療與核能

釤(¹⁵³Sm)、釔、釓、釤(¹⁴⁹Sm)

釓因為未配對的電子多而具有強烈的順磁性，被廣泛使用於磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI ）的顯影劑。放射性同位素方面，釔和釤等可以用於癌症的放射治療；而釤（¹⁴⁹Sm）具有超強的中子吸收能力，可作為核反應爐的控制棒材料。這些應用共同顯示出稀土元素從醫藥到能源各領域皆有一席之地。

催化劑

鑭、鈰、釹、二氧化鈰

二氧化鈰對氧化還原反應具有優異的催化活性，可用於汽油和柴油發動機的尾氣催化轉化，降低廢氣汙染並提高燃油效率；稀土金屬及化合物在石油裂解、汽車排放淨化以及化學工業加氫脫硫等過程中都扮演重要的催化劑角色。

磁性材料

釤、鏑、鉺、釹

釹及釤可與鐵和硼合金化，製成超強永久磁鐵。以釹鐵硼為例，它具有極高的磁能儲存量和消磁所需的反向磁場強度，被認為是當今性能最優異的永磁材料之一，被廣泛用於電動車驅動電機、風力發電機和高端電子設備。同樣地，在高溫環境下工作時添加鏑或鉺等重稀土可顯著提升磁鐵的居里溫度〔註〕，使磁體穩定性更好。

〔註〕指鐵磁性物質夠保持穩定性的最高溫度。

其他應用

釤、銪、釓、鋱、鏑、釔、鈰、鑭

以上例子僅是冰山一角，稀土的其他應用還包括電池合金、玻璃清潔劑、儲氫材料等，可謂「新材料之母」。稀土元素的這些科學特性正是它們在科技中不可替代的重要原因。

……【更多內容請閱讀科學月刊第667期】