近日，《自然-可持續》刊發(fā)上海師范大學(xué)教授卞振鋒團隊、李和興團隊，美國佐治亞理工大學(xué)團隊研究成果，該成果報道了一種從廢棄電路板、三元汽車(chē)催化劑和礦石中選擇性回收銀、金、鈀、鉑、銠、釕和銥七種貴金屬的光催化工藝。

黃金、鉑金等貴金屬（PMs）不僅具有良好的延展性、導電性，而且具有較高的化學(xué)穩定性和較強的耐腐蝕性，近年來(lái)被越來(lái)越多地應用于電子器件和現代工業(yè)催化劑領(lǐng)域。在PMs規?；瘧玫倪^(guò)程中，其稀缺性始終是繞不過(guò)去的“致命缺陷”。從廢物中回收PMs成為提高其產(chǎn)量的一個(gè)有益思路。傳統冶金方法從廢物中回收PMs具有較高成本和能耗，因此開(kāi)發(fā)出一項可持續技術(shù)才能真正意義上“變廢為寶”。

光催化清潔顛覆原有技術(shù)

PMs的回收主要包括兩個(gè)步驟: 溶解PM0形成PMx+溶液，然后將PMx+從濾液中還原為PM0。工業(yè)上使用最廣泛的溶解方法是用具有強腐蝕性和毒性的王水和氰化法，對環(huán)境極具危害且反應過(guò)程復雜。與溶解過(guò)程相比，將PMx+還原為PM0則需要一定的耐酸性。已有工作的材料合成及后續反應過(guò)程非常復雜。

卞振鋒團隊的工作長(cháng)期以來(lái)圍繞二氧化鈦光催化展開(kāi)。“貴金屬作為光催化的助催化劑一直被廣泛使用，通常認為光催化劑的電子轉移給了貴金屬，有利于電荷分離，抑制電荷復合。在一次實(shí)驗中，我們發(fā)現貴金屬被光催化氧化溶解了，結果經(jīng)過(guò)反復確認，證明了貴金屬可以通過(guò)簡(jiǎn)單光照溶解。”卞振鋒表示，其團隊自此開(kāi)始利用光催化清潔回收貴金屬的研究工作。

該方法將二氧化鈦粉末加入乙腈溶劑中，用紫外線(xiàn)照射溶液，激發(fā)二氧化鈦光生空穴的氧化還原反應，該反應產(chǎn)生的超氧化物和高活性自由基足以將一系列的PM0氧化成PMx+。

新技術(shù)優(yōu)勢多多

該方法與王水相比, 反應條件溫和，整個(gè)過(guò)程不涉及強酸、強堿或有毒氰化物，只需要光照和二氧化鈦光催化劑。不會(huì )產(chǎn)生有毒氣體, 如一氧化氮和氯, 也不會(huì )破壞導致CPU板開(kāi)裂。

使用該方法，廢物源中99%以上的目標貴金屬元素可被溶解，后經(jīng)簡(jiǎn)單還原反應進(jìn)行回收，純度可達98%以上。這種光催化技術(shù)適用于不同的廢物來(lái)源，包括電子垃圾、汽車(chē)三效催化劑和礦石，并可以大規模(公斤級)使用。“實(shí)驗室實(shí)現了多種含貴金屬廢料的資源化，回收效率都是99%以上，不同的是，反應條件和反應時(shí)間會(huì )略有差異，需要調整一下。”卞振鋒解釋到。

除此之外，此光催化溶解催化反應還具有選擇性，可以使目標金屬從其他金屬中逐次分離。在能效方面，光催化清潔技術(shù)也有不錯表現。“該方法和傳統方法王水法對比，成本只有王水法的五分之一，能耗降低80%以上。”卞振鋒說(shuō)到。

“這是我從未見(jiàn)到過(guò)的巧妙方法。”愛(ài)丁堡大學(xué)無(wú)機化學(xué)家Jason Love對此評價(jià)到，“此前人們通過(guò)光解將溶液中的金屬還原為金屬態(tài)，該研究將這一方法倒了過(guò)來(lái)。”

該項研究的匿名評審表示，雖然在氧化劑條件下使用有機溶劑已被證明可從電子廢物中浸出金屬，但使用二氧化鈦以在有機溶液中生成活性氧化物，并氧化和穩定溶液中的金屬化合物是非常新穎的。“這確實(shí)可能消除加工原生礦石和二次金屬來(lái)源對強酸或有毒材料的需要，并以相對環(huán)境友好的方式實(shí)現金屬循環(huán)。”

　工業(yè)化應用未來(lái)可期

　貴金屬回收工業(yè)化應用擁有廣泛市場(chǎng)前景。全球電子集成電路行業(yè)對金、銀和鈀的需求每年分別約為250噸、1. 28萬(wàn)噸和40噸。汽車(chē)工業(yè)的持續增長(cháng)導致鉑類(lèi)金屬的消耗量也在不斷增加。電子垃圾全球產(chǎn)量表明，40部手機的含金量相當于1噸礦石。2019年，全球共產(chǎn)生了5360萬(wàn)噸含貴金屬的電子垃圾，包括廢棄電腦、手機和家用電子設備。

公斤級尺度上的試驗，以及催化劑多次重復使用，證明了光催化清潔回收貴金屬方法的工業(yè)應用潛力。卞振鋒表示，該方法的工業(yè)應用前景非常廣闊。“該技術(shù)如果替代現有技術(shù)，一方面貴金屬生產(chǎn)成本會(huì )大大下降，另外一方面，該技術(shù)也更加環(huán)保。”

目前廢貴金屬資源化市場(chǎng)規模約5000億。由于國家環(huán)保執法力度的加大和生態(tài)文明建設的需要，未來(lái)幾年市場(chǎng)規模將會(huì )急劇增加。不少環(huán)保板塊上市公司已著(zhù)手布局危險廢物的處理業(yè)務(wù)。“電子垃圾、汽車(chē)尾氣催化劑中貴金屬回收、貴金屬礦石開(kāi)采、電鍍廢渣、冶煉尾渣、焚燒飛灰等的年增量都在千萬(wàn)噸級，廢舊電池在百萬(wàn)噸級，廢催化劑在幾十萬(wàn)噸級。”卞振鋒強調，廢貴金屬資源化處理將具有極大市場(chǎng)前景和需求。

卞振鋒同時(shí)稱(chēng)，光催化清潔回收貴金屬在大規模工業(yè)化過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是處理規模放大后，考慮到光照和固液傳質(zhì)等方面的影響，要如何提高生產(chǎn)效率。“這需要我們對放大技術(shù)進(jìn)一步調整，反應器需要重新設計。”不過(guò)卞振鋒也表示，這些問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗探索，從小試、中試一步一步放大，應該可以得到解決?！?/span>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-021-00697-4

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