Science子刊：鎳鈷分離新策略

在能源儲存和工業(yè)應(yīng)用中對鈷（Co）和鎳（Ni）的需求不斷增加，這凸顯了它們從主要采礦和非常規(guī)來源中有效分離的必要性。電解冶金法（電解沉積，Electrowinning）是一種更環(huán)保的替代現(xiàn)有溶劑萃取的方法，但由于二價Co和Ni離子的還原電位相似，電解冶金法受到阻礙。

約翰霍普金斯大學(xué)劉亞媛教授等人發(fā)現(xiàn)，具有成本效益和可回收利用的生物酸可以改變離子溶劑化環(huán)境，以擴(kuò)大Co和Ni之間的還原電位差，其中酒石酸通過形成獨(dú)特的雙核配合物實(shí)現(xiàn)了最高的選擇性。當(dāng)應(yīng)用于三元鋰離子電池浸出液時，該工藝在間歇模式下可達(dá)到99.1%的Co純度，并且在可擴(kuò)展的流動系統(tǒng)中，可逐步回收金屬Co (95.1%)、Ni（96.5%）和二氧化錳（~100%），產(chǎn)率很高。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評估強(qiáng)調(diào)了其具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，建立了一個可持續(xù)的、通用的電化學(xué)平臺，用于從復(fù)雜原料中選擇性分離Ni/Co。

相關(guān)工作以《Selective cobalt and nickel separation by bioacid-mediated electrowinning》為題在《Science Advances》上發(fā)表論文。

圖文導(dǎo)讀

圖1 傳統(tǒng)溶劑萃取法與電解冶金法分離Co/Ni的比較

如圖1A所示，最先進(jìn)的濕法冶金Co/Ni分離通常依賴于溶劑萃取。然而，Co和Ni相似的水化學(xué)性質(zhì)限制了選擇性，特別是在處理二次資源的稀、復(fù)雜基質(zhì)時。此外，溶劑萃取需要大量的化學(xué)物質(zhì)，需要大量的預(yù)處理以去除競爭離子，并且需要多個萃取階段，這使得溶劑萃取成本高，對環(huán)境有害，并且難以持續(xù)規(guī)模化。

Irving-Williams系列經(jīng)驗(yàn)地定義了二價第一行過渡金屬離子的金屬配體配合物的穩(wěn)定性順序。由于其不同的電子構(gòu)型（Co：3d7；Ni：3d8）和離子半徑，Ni2+傾向于形成比Co2+更穩(wěn)定的配位配合物。由于更強(qiáng)的配合物對電還原的抵抗力更強(qiáng)，因此鑒定能夠放大Co2+和Ni2+配合物之間穩(wěn)定性差異的配體化學(xué)物質(zhì)是通過電解冶金實(shí)現(xiàn)Co/Ni高效分離的有希望的策略（圖1B）。然而，設(shè)計出具有高選擇性、可擴(kuò)展性和環(huán)境兼容性的配體仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

本文介紹了生物酸，這是一種來源于生物來源的有機(jī)酸，作為一種低成本、可回收、環(huán)保的配體來調(diào)節(jié)電沉積過程中Co2+和Ni2+的溶劑化環(huán)境。電化學(xué)分析和分離實(shí)驗(yàn)表明酒石酸是各種候選溶劑中最有效的溶劑化調(diào)節(jié)劑。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和機(jī)器學(xué)習(xí)引導(dǎo)分析相結(jié)合，將這種效應(yīng)歸因于酒石酸羧基附近的α-羥基（α-OH）基團(tuán)，它有助于形成獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)M2(H2O)4(Tar)2（M=Co或Ni）。DFT計算進(jìn)一步支持了二聚體結(jié)構(gòu)最大化Ni2+和Co2+配位配合物之間的吉布斯自由能差的觀點(diǎn)，增強(qiáng)了Co/Ni分離因子。

圖2 酒石酸介導(dǎo)的選擇性Co電沉積

本研究首次將生物酸應(yīng)用于鈷鎳電積分離，揭示了配體結(jié)構(gòu)與金屬絡(luò)合、電沉積選擇性的構(gòu)效關(guān)系，為高選擇性配體的設(shè)計提供了理論依據(jù)。該技術(shù)突破了鈷鎳還原電位相近的分離瓶頸，實(shí)現(xiàn)了從廢鋰離子電池等二次資源中關(guān)鍵金屬的高效回收，契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源可持續(xù)利用的發(fā)展需求。

Selective cobalt and nickel separation by bioacid-mediated electrowinning，Science Advances，2026.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec7956

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