作者:麻省理工学院的贝基·汉姆
信用:Unsplash/CC0公共领域
麻省理工学院研究人员开发的新加工方法有助于缓解从手机到汽车动力电池等各种重要金属日益逼近的短缺，使这些稀有金属更容易从矿石和回收材料中分离出来
冶金教授安托万·阿拉诺尔和他的研究生卡斯帕·斯蒂恩(Caspar Sti nn)通过一种称为硫化的化学过程中的选择性调整，成功地将稀有金属(如锂离子电池中的钴)从混合金属材料中锁定并分离出来
正如他们在《自然》杂志上报道的那样，他们的加工技术允许金属保持固态，并且在不溶解材料的情况下被分离
这避免了需要大量能量的传统但昂贵的液体分离方法
研究人员开发了56种元素的加工条件，并在15种元素上测试了这些条件
他们在论文中写道，他们的硫化方法可以将金属从混合金属氧化物中分离的资本成本降低65%到95%
与传统的液体分离相比，它们的选择性处理还可以减少60%到90%的温室气体排放
斯汀恩说:“我们很高兴能找到替代品来替代那些用水量和温室气体排放量非常高的工艺，比如锂离子电池回收、稀土磁体回收和稀土分离。”
“这些是制造可持续应用材料的过程，但这些过程本身是非常不可持续的
" 这些发现提供了一种方法来缓解对钴、锂和稀土元素等微量金属日益增长的需求，这些金属用于“清洁”能源产品，如电动汽车、太阳能电池和发电风车
根据国际能源署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展，新单位发电能力所需的矿物平均数量增加了50%
选择性的机会 十多年来，Allanore集团一直在研究使用硫化物材料开发金属生产的新电化学路线
硫化物是常见的材料，但麻省理工学院的科学家们正在极端条件下对它们进行实验，比如非常高的温度——从华氏800度到3000度——这些温度用于制造工厂，但不用于典型的大学实验室
阿拉诺尔解释说:“我们正在寻找非常成熟的材料，与以前相比，这些材料的情况并不常见，这也是我们寻找新应用或新现实的原因。”
" 在合成高温硫化物材料以支持电化学生产的过程中，斯汀说，“我们了解到，我们可以对自己生产的产品非常有选择性，也非常有控制力
正是基于这样的理解，我们意识到，‘好吧，也许这里有一个选择性分离的机会
" 研究人员利用这种化学反应，使含有混合金属氧化物的材料发生反应，形成新的金属硫化合物或硫化物
通过改变反应过程中的温度、气体压力和碳的添加等因素，Stinn和Allanore发现，他们可以选择性地产生多种硫化物固体，这些固体可以通过多种方法进行物理分离，包括粉碎材料和分选不同大小的硫化物，或者使用磁铁将不同的硫化物相互分离
斯丁说，目前稀有金属的分离方法依赖于大量的能量、水、酸和有机溶剂，这对环境造成了昂贵的影响
“我们正在尝试使用丰富、经济且易于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目前包括硫和硫化物
" Stinn和Allanore利用选择性硫化来分离出经济上重要的金属，如回收锂离子电池中的钴
他们还利用他们的技术从稀土硼磁体中，或者从氟碳铈矿等矿物的典型氧化物混合物中，分离出镝——一种用于从数据存储设备到光电子领域的稀土元素
利用现有技术 Allanore解释说，像钴和稀土这样的金属只在开采的材料中少量存在，因此工业必须加工大量的材料来回收或循环利用足够的这些金属，以实现经济上的可行性
“很明显，这些流程效率不高
大多数排放来自缺乏选择性和低浓度的操作
" 通过消除液体分离的需要以及溶解和再沉淀单个元素所需的额外步骤和材料，麻省理工学院研究人员的方法显著降低了分离过程中产生的成本和排放
“使用硫化法分离材料的好处之一是可以利用许多现有的技术和工艺基础设施，”斯汀说
“这是现有反应堆类型和设备中的新条件和新化学物质
" 下一步是展示这个过程可以处理大量的原材料——例如，从稀土矿流中分离出16种元素
“现在我们已经表明，我们可以一起处理三个、四个或五个，但我们还没有以与部署所需的规模相匹配的规模处理来自现有矿井的实际流，”Allanore说
Stinn和实验室的同事们已经建造了一个每天可以处理大约10公斤原材料的反应器，研究人员正在与几家公司就这种可能性展开对话
阿拉诺尔说:“我们正在讨论如何用现有的矿物和回收物流来证明这种方法的性能。”
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