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1.137kg CPU在光催化下溶解Au的反應(yīng)前后照片。圖片來(lái)源：《自然—可持續(xù)發(fā)展》

■本報(bào)記者 韓天琪

黃金、鉑金等貴金屬（PMs）不僅具有良好的延展性、導(dǎo)電性，而且具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的耐腐蝕性，近年來(lái)被越來(lái)越多地應(yīng)用于電子器件和現(xiàn)代工業(yè)催化劑領(lǐng)域。

在PMs規(guī)?；瘧?yīng)用的過(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(tǒng)冶金方法從廢物中回收PMs具有較高成本和能耗，因此開發(fā)出一項(xiàng)可持續(xù)技術(shù)才能真正意義上“變廢為寶”。

近日，上海師范大學(xué)教授卞振鋒團(tuán)隊(duì)、李和興團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種從廢棄電路板、三元汽車催化劑和礦石中選擇性回收銀、金、鈀、鉑、銠、釕和銥7種貴金屬的光催化工藝。整個(gè)過(guò)程不涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或有毒氰化物，只需要光照和二氧化鈦光催化劑，即可從廢物源中“淘金”。

相關(guān)研究成果近日刊發(fā)于《自然—可持續(xù)發(fā)展》。

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(qiáng)腐蝕性和毒性的王水和氰化法，對(duì)環(huán)境極具危害且反應(yīng)過(guò)程復(fù)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(xù)反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜。

卞振鋒團(tuán)隊(duì)的工作長(zhǎng)期圍繞二氧化鈦光催化展開?！百F金屬作為光催化的助催化劑一直被廣泛使用，通常認(rèn)為光催化劑的電子轉(zhuǎn)移給了貴金屬，有利于電荷分離，抑制電荷復(fù)合。在一次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)貴金屬被光催化氧化溶解了，結(jié)果經(jīng)過(guò)反復(fù)確認(rèn)，證明了貴金屬可以通過(guò)簡(jiǎn)單光照溶解?！北逭皲h表示，其團(tuán)隊(duì)自此開始利用光催化清潔回收貴金屬的研究工作。

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

“從未見到過(guò)的巧妙方法”

與王水法相比，該方法反應(yīng)條件溫和，整個(gè)過(guò)程不涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)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)導(dǎo)致CPU板開裂。

記者了解到，使用該方法，廢物源中99%以上的目標(biāo)貴金屬元素可被溶解，然后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的還原反應(yīng)進(jìn)行回收，純度高達(dá)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、汽車三效催化劑和礦石，并可以大規(guī)模（公斤級(jí)）使用。

“實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了多種含貴金屬?gòu)U料的資源化，回收效率都是99%以上，不同的是，反應(yīng)條件和時(shí)間會(huì)略有差異，需要調(diào)整一下。”卞振鋒解釋說(shuō)。

除此之外，該光催化溶解催化反應(yīng)還具有選擇性，可以使目標(biāo)金屬?gòu)钠渌饘僦兄鸫畏蛛x。在能效方面，光催化清潔技術(shù)也有不錯(cuò)表現(xiàn)。“該方法和傳統(tǒng)王水法對(duì)比，成本只有后者的1/5，能耗降低80%以上?！北逭皲h說(shuō)。

“這是我從未見到過(guò)的巧妙方法?！庇?guó)愛丁堡大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)家Jason Love對(duì)此評(píng)價(jià)道，“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)?！?/p>

該項(xiàng)研究的評(píng)審表示，雖然在氧化劑條件下使用有機(jī)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(jī)溶液中生成活性氧化物，并氧化和穩(wěn)定溶液中的金屬化合物是非常新穎的?！斑@確實(shí)可能消除加工原生礦石和二次金屬來(lái)源對(duì)強(qiáng)酸或有毒材料的需要，并以對(duì)環(huán)境相對(duì)友好的方式實(shí)現(xiàn)金屬循環(huán)?！?/p>

工業(yè)化應(yīng)用未來(lái)可期

貴金屬回收工業(yè)化應(yīng)用擁有廣泛市場(chǎng)前景。全球電子集成電路行業(yè)對(duì)金、銀和鈀的需求每年分別約為250噸、1. 28萬(wàn)噸和40噸。汽車工業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)導(dǎo)致鉑類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(jī)的含金量相當(dāng)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(jī)和家用電子設(shè)備。

公斤級(jí)尺度上的試驗(yàn)以及催化劑多次重復(fù)使用，證明了光催化清潔回收貴金屬方法的工業(yè)應(yīng)用潛力?！叭绻迷摷夹g(shù)替代現(xiàn)有技術(shù)，一方面貴金屬生產(chǎn)成本會(huì)大大下降，另一方面，也會(huì)更加環(huán)保?！北逭皲h表示，該方法的工業(yè)應(yīng)用前景非常廣闊。

目前，廢貴金屬資源化市場(chǎng)規(guī)模龐大。由于國(guó)家環(huán)保執(zhí)法力度加大和生態(tài)文明建設(shè)需要，未來(lái)幾年市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)急劇增加。不少環(huán)保板塊上市公司已著手布局危險(xiǎn)廢物的處理業(yè)務(wù)。

“電子垃圾、汽車尾氣催化劑中貴金屬回收、貴金屬礦石開采、電鍍廢渣、冶煉尾渣、焚燒飛灰等的年增量都在千萬(wàn)噸級(jí)，廢舊電池在百萬(wàn)噸級(jí)，廢催化劑在幾十萬(wàn)噸級(jí)?！北逭皲h強(qiáng)調(diào)，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，光催化清潔回收貴金屬在大規(guī)模工業(yè)化過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是處理規(guī)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(duì)放大技術(shù)進(jìn)一步調(diào)整，反應(yīng)器需要重新設(shè)計(jì)?！辈贿^(guò)卞振鋒也表示，這些問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，通過(guò)小試、中試一步一步放大，應(yīng)該可以得到解決。

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