金属所提出“一步式”选择性提取钕铁硼中稀土元素

稀土是制备高新材料的关键基础材料。在众多稀土功能材料中，磁性材料应用最广，主要包括稀土永磁、磁致伸缩及磁致冷材料等。稀土永磁材料钕铁硼被广泛应用于清洁能源汽车、风力发电、节能家电、工业电机、轨道交通、电子信息等民用产品领域，以及电子对抗与干扰、导航系统、航空航天等高科技领域，是实施制造强国战略的关键材料之一。

大多数稀土磁性材料是由稀土元素与3d过渡金属TM3d构成的金属间化合物，如Nd2Fe14B、Sm2Co14、TbDyFe等。这些合金材料中稀土含量较高，制备1吨稀土永磁材料钕铁硼，需约0.3吨稀土（包括钕、镨、镝、铽等）。在我国稀土年消耗量中，超过40%的稀土用于制备钕铁硼。这导致我国稀土资源利用极不平衡，稀土磁性材料高度依赖的钕、镨、镝、铽、钐等低丰度昂贵稀土日益紧缺。

回收废钕铁硼是化解关键稀土元素供给危机和保持我国稀土资源全球优势的有效办法。从稀土废料源头来看，钕铁硼占绝大多数（图1a）。钕铁硼废旧料主要来源于材料制备过程中产生的废料（废品量约为30%），以及因更新而被淘汰的废旧产品（图1b-d）。钕铁硼中Nd2Fe14B为主相，稀土与过渡金属原子间形成较强的键能。钕铁硼含有改善其综合性能的镨、镝、铽、钴、铝、铜等其它元素，为了避免氧化，通常在钕铁硼产品表面电镀金属层。因此，提取钕铁硼废旧料中的稀土具有难度，尤其如何实现稀土与其它金属的绿色高效分离以及高值化再利用是关键。

近年来，金属研究所材料特种制备与加工研究部赵九洲研究组何杰博士领衔开展了钕铁硼废旧料回收新技术研究。基于金属原子间的相互作用，研制了一系列用于选择性自发溶出钕铁硼中稀土元素的捕集剂，揭示了稀土元素在钕铁硼/捕集剂界面间的扩散行为及其控制方法，提出了钕铁硼“稀土无酸自组装溶出”新方法，建立了钕铁硼循环再利用技术路线，回收获得了各种稀土氧化物产品和铁硼合金（图2）。研究实现了将钕铁硼中的所有稀土元素在数分钟内“一步式”选择性提取，总提取率大于97%。钕铁硼中稀土被提取后，残余物为铁硼合金（由铁、硼、钴、铜和铝等元素组成，其中铁含量约95%、氧含量低于20ppm）（图2a和3），精炼后可以循环再利用或用作特种钢材。与“盐酸优溶”等传统方法比较，本研究的“稀土无酸自组装溶出法”避免了钕铁硼中铁、硼等与稀土一同焙烧氧化和强酸浸出，缩短了工艺流程和周期，大幅减少了强酸使用和废液排放量，实现了二次固废酸性赤铁渣（Fe2O3）的零产生及铁资源的高值转化，有效提高了稀土的回收率，具有更优的经济和环境效益。“稀土无酸自组装溶出”可与“萃取分离”联合使用，在短流程、低成本和环保前提下，回收得到满足市场要求的纯度约99.5%的单稀土金属氧化物产品（图2b-e）。该方法普适性强，不仅可处理稀土永磁材料钕铁硼和钐钴合金，也可回收由稀土RE和3d过渡金属TM3d构造的其它RE-TM3d基稀土磁性材料，以及镍氢电池电极材料。除了废钕铁硼，还对稀土熔盐电解渣开展了循环再利用研究，获得了含量不低于99%的镨钕氧化物产品（图4）。目前研究团队正与企业合作开展稀土回收方面的研究，旨在推进该项技术的实际应用。

相关工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

图1（a）稀土废料源头中各废料的占比，（b-d）钕铁硼制备加工过程中产生的废料和因产品更新而淘汰的废旧料。

图2（a）钕铁硼“稀土无酸自组装溶出”后残余的铁硼合金，（b-e）回收得到满足市场要求的纯度约99.5%的氧化钕、氧化镨、氧化镝和氧化铽产品。

图3 稀土元素被提取（a）前和（c）后钕铁硼的SEM显微组织结构，以及（b）它们对应的XRD物相分析。

图4（a）稀土熔盐电解渣经（b）物相重构处理后，提取获得（c）镨钕氧化物产品。