麻省理工學院(MIT)的研究人員開發的新加工方法可以幫助緩解從電話到汽車電池等一切設備的基本金屬的迫在眉睫的短缺，因為它使從礦石和回收材料中分離出這些稀有金屬變得更加容易。
冶金學教授Antoine Allanore和他的研究生Caspar Stinn在一個叫做硫化的化學過程中進行了選擇性調整，他們成功地瞄準了混合金屬材料中的稀有金屬如鋰離子電池中的鈷並將其分離出來。
正如他們在《自然》上報告的那樣，他們的處理技術允許金屬保持固體形式並在不溶解材料的情況下進行分離。這避免了需要大量能源的傳統但昂貴的液體分離方法。研究人員為56種元素制定了處理條件並在15種元素上測試了這些條件。
他們在論文中指出，他們的硫化方法可以將金屬分離的資本成本從混合金屬氧化物中降低65%到95%。另外，跟傳統的基於液體的分離相比，他們的選擇性處理還可以減少60%到90%的溫室氣體排放。
“我們很高興能找到用水量和溫室氣體排放量非常高的工藝的替代品，如鋰離子電池回收、稀土磁鐵回收和稀土分離.這些都是為可持續性應用製造材料的過程，但這些過程本身是非常不可持續的，”Stinn說道。
這些發現為緩解對鈷、鋰和稀土元素等小金屬日益增長的需求提供了一種方法。據悉，這些小金屬被用於電動汽車、太陽能電池和發電風車等“清潔”能源產品中。根據國際能源署(IEA)2021年的一份報告，自2010年以來，隨着使用這些金屬的可再生能源技術的擴大，一個新發電能力單位所需的礦物的平均數量已經上升了50%。
選擇性的機會
十多年來，Allanore小組一直在研究使用硫化物材料來開發新的金屬生產電化學路線。硫化物是常見的材料，但MIT的科學家們正在極端條件下對它們進行實驗。極端條件包括諸如非常高的溫度–從800到3000華氏度–這些條件在製造廠中使用，但在一個典型的大學實驗室中卻沒有。
“我們正在研究非常成熟的材料，其條件跟以前所做的相比是不常見的。這就是為什麼我們正在尋找新的應用或新的現實，”Allanore說道。
Stinn指出，在合成高溫硫化物材料以支持電化學生產的過程中，“我們了解到我們可以對我們製造的產品進行非常有選擇性和非常有控制。正是基於這種認識，我們意識到，‘好吧，也許這裡有一個選擇性的機會’。”
研究人員利用的化學反應使一種含有混合金屬氧化物的材料發生反應，然後形成新的金屬硫化合物或硫化物。通過改變溫度、氣體壓力及在反應過程中加入碳等因素，Stinn和Allanore發現他們可以有選擇地創造出各種硫化物固體，這些固體可以通過各種方法進行物理分離，其中包括粉碎材料和分揀不同大小的硫化或使用磁鐵將不同的硫化物相互分離。
Stinn表示，目前的稀有金屬分離方法依賴於大量的能源、水、酸和有機溶劑，這些都會對環境產生昂貴的影響，“我們正試圖使用豐富、經濟和容易獲得的材料進行可持續的材料分離，我們已經將這一領域擴大到現在包括硫和硫化物。”
Stinn和Allanore使用選擇性硫化法來分離出經濟上重要的金屬，如回收的鋰離子電池中的鈷。他們還利用他們的技術從稀土硼磁鐵中分離出鏑–一種用於從數據存儲設備到光電子學等應用的稀土元素，或從諸如氟碳鈰礦等採礦礦物的典型氧化物混合物中分離出鏑。
利用現有技術
Allanore指出，像鈷和稀土這樣的金屬只在開採的材料中少量存在，因此工業界必須處理大量的材料以檢索或回收足夠的這些金屬從而在經濟上是可行的，“很明顯，這些過程是沒有效率的。大多數排放物來自於缺乏選擇性和它們運行時的低濃度。”
通過消除對液體分離的需求及溶解和再沉澱單個元素所需的額外步驟和材料，MIT研究人員的工藝大大降低了分離過程中所需的成本和產生的排放。
“使用硫化法分離材料的一個好處是，很多現有的技術和工藝基礎設施可以被利用，”Stinn表示，“這是在已有的反應器樣式和設備中的新條件和新化學。”
下一步是證明該工藝可以適用於大量的原材料–如從稀土礦流中分離出16種元素。Allanore表示：“現在我們已經表明，我們可以一起處理其中的三個或四個或五個，但我們還沒有以符合部署要求的規模處理來自現有礦山的實際流。”
據悉，Stinn和實驗室的同事們已經建造了一個反應器，每天可以處理約10公斤的原材料，研究人員正在跟幾個公司開始就可能性展開交談。