Science子刊：鎳鈷分離新策略

在能源儲存和工業應用中對鈷（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）是一種更環保的替代現有溶劑萃取的方法，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。

約翰霍普金斯大學劉亞媛教授等人發現，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境，以擴大Co和Ni之間的還原電位差，其中酒石酸通過形成獨特的雙核配合物實現了最高的選擇性。當應用于三元鋰離子電池浸出液時，該工藝在間歇模式下可達到99.1%的Co純度，并且在可擴展的流動系統中，可逐步回收金屬Co (95.1%)、Ni（96.5%）和二氧化錳（~100%），產率很高。技術經濟分析和生命周期評估強調了其具有優越的經濟和環境效益，建立了一個可持續的、通用的電化學平臺，用于從復雜原料中選擇性分離Ni/Co。

相關工作以《Selective cobalt and nickel separation by bioacid-mediated electrowinning》為題在《Science Advances》上發表論文。

圖文導讀

圖1 傳統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相似的水化學性質限制了選擇性，特別是在處理二次資源的稀、復雜基質時。此外，溶劑萃取需要大量的化學物質，需要大量的預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，對環境有害，并且難以持續規模化。

Irving-Williams系列經驗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定性順序。由于其不同的電子構型（Co：3d7；Ni：3d8）和離子半徑，Ni2+傾向于形成比Co2+更穩定的配位配合物。由于更強的配合物對電還原的抵抗力更強，因此鑒定能夠放大Co2+和Ni2+配合物之間穩定性差異的配體化學物質是通過電解冶金實現Co/Ni高效分離的有希望的策略（圖1B）。然而，設計出具有高選擇性、可擴展性和環境兼容性的配體仍然是一個巨大的挑戰。

本文介紹了生物酸，這是一種來源于生物來源的有機酸，作為一種低成本、可回收、環保的配體來調節電沉積過程中Co2+和Ni2+的溶劑化環境。電化學分析和分離實驗表明酒石酸是各種候選溶劑中最有效的溶劑化調節劑。通過實驗驗證和機器學習引導分析相結合，將這種效應歸因于酒石酸羧基附近的α-羥基（α-OH）基團，它有助于形成獨特的雙核結構M2(H2O)4(Tar)2（M=Co或Ni）。DFT計算進一步支持了二聚體結構最大化Ni2+和Co2+配位配合物之間的吉布斯自由能差的觀點，增強了Co/Ni分離因子。

圖2 酒石酸介導的選擇性Co電沉積

本研究首次將生物酸應用于鈷鎳電積分離，揭示了配體結構與金屬絡合、電沉積選擇性的構效關系，為高選擇性配體的設計提供了理論依據。該技術突破了鈷鎳還原電位相近的分離瓶頸，實現了從廢鋰離子電池等二次資源中關鍵金屬的高效回收，契合循環經濟和資源可持續利用的發展需求。

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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