麻省理工学院(MIT)的研究人员开发的新加工方法可以帮助缓解从电话到汽车电池等一切设备的基本金属的迫在眉睫的短缺，因为它使从矿石和回收材料中分离出这些稀有金属变得更加容易。
冶金学教授Antoine Allanore和他的研究生Caspar Stinn在一个叫做硫化的化学过程中进行了选择性调整，他们成功地瞄准了混合金属材料中的稀有金属如锂离子电池中的钴并将其分离出来。
正如他们在《自然》上报告的那样，他们的处理技术允许金属保持固体形式并在不溶解材料的情况下进行分离。这避免了需要大量能源的传统但昂贵的液体分离方法。研究人员为56种元素制定了处理条件并在15种元素上测试了这些条件。
他们在论文中指出，他们的硫化方法可以将金属分离的资本成本从混合金属氧化物中降低65%到95%。另外，跟传统的基于液体的分离相比，他们的选择性处理还可以减少60%到90%的温室气体排放。
“我们很高兴能找到用水量和温室气体排放量非常高的工艺的替代品，如锂离子电池回收、稀土磁铁回收和稀土分离.这些都是为可持续性应用制造材料的过程，但这些过程本身是非常不可持续的，”Stinn说道。
这些发现为缓解对钴、锂和稀土元素等小金属日益增长的需求提供了一种方法。据悉，这些小金属被用于电动汽车、太阳能电池和发电风车等“清洁”能源产品中。根据国际能源署(IEA)2021年的一份报告，自2010年以来，随着使用这些金属的可再生能源技术的扩大，一个新发电能力单位所需的矿物的平均数量已经上升了50%。
选择性的机会
十多年来，Allanore小组一直在研究使用硫化物材料来开发新的金属生产电化学路线。硫化物是常见的材料，但MIT的科学家们正在极端条件下对它们进行实验。极端条件包括诸如非常高的温度--从800到3000华氏度--这些条件在制造厂中使用，但在一个典型的大学实验室中却没有。
“我们正在研究非常成熟的材料，其条件跟以前所做的相比是不常见的。这就是为什么我们正在寻找新的应用或新的现实，”Allanore说道。
Stinn指出，在合成高温硫化物材料以支持电化学生产的过程中，“我们了解到我们可以对我们制造的产品进行非常有选择性和非常有控制。正是基于这种认识，我们意识到，‘好吧，也许这里有一个选择性的机会’。”
研究人员利用的化学反应使一种含有混合金属氧化物的材料发生反应，然后形成新的金属硫化合物或硫化物。通过改变温度、气体压力及在反应过程中加入碳等因素，Stinn和Allanore发现他们可以有选择地创造出各种硫化物固体，这些固体可以通过各种方法进行物理分离，其中包括粉碎材料和分拣不同大小的硫化或使用磁铁将不同的硫化物相互分离。
Stinn表示，目前的稀有金属分离方法依赖于大量的能源、水、酸和有机溶剂，这些都会对环境产生昂贵的影响，“我们正试图使用丰富、经济和容易获得的材料进行可持续的材料分离，我们已经将这一领域扩大到现在包括硫和硫化物。”
Stinn和Allanore使用选择性硫化法来分离出经济上重要的金属，如回收的锂离子电池中的钴。他们还利用他们的技术从稀土硼磁铁中分离出镝--一种用于从数据存储设备到光电子学等应用的稀土元素，或从诸如氟碳铈矿等采矿矿物的典型氧化物混合物中分离出镝。
利用现有技术
Allanore指出，像钴和稀土这样的金属只在开采的材料中少量存在，因此工业界必须处理大量的材料以检索或回收足够的这些金属从而在经济上是可行的，“很明显，这些过程是没有效率的。大多数排放物来自于缺乏选择性和它们运行时的低浓度。”
通过消除对液体分离的需求及溶解和再沉淀单个元素所需的额外步骤和材料，MIT研究人员的工艺大大降低了分离过程中所需的成本和产生的排放。
“使用硫化法分离材料的一个好处是，很多现有的技术和工艺基础设施可以被利用，”Stinn表示，“这是在已有的反应器样式和设备中的新条件和新化学。”
下一步是证明该工艺可以适用于大量的原材料--如从稀土矿流中分离出16种元素。Allanore表示：“现在我们已经表明，我们可以一起处理其中的三个或四个或五个，但我们还没有以符合部署要求的规模处理来自现有矿山的实际流。”
据悉，Stinn和实验室的同事们已经建造了一个反应器，每天可以处理约10公斤的原材料，研究人员正在跟几个公司开始就可能性展开交谈。
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