近日，中南大學冶金與環(huán)境學院田慶華教授團隊在脈沖-旋流電積高效提取戰(zhàn)略金屬鎵領域取得了重要突破，相關成果Pulse cyclone electrowinning of gallium recovery for higher current efficiency and lower energy consumption（https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023. 124801）發(fā)表于國際化學工程類權威期刊《分離純化技術》（Separation and Purification Technology）。中南大學為該項研究成果的第一完成單位，論文作者為：劉左偉、田慶華、郭學益、黃雅頌、許志鵬，其中，第一作者為冶金與環(huán)境學院博士生劉左偉，通訊作者為冶金與環(huán)境學院許志鵬副教授。

金屬鎵(Ga)是重要的稀散金屬，是集成電路、航空航天、5G通信等領域不可或缺的關鍵原材料。中國、歐盟、美國、日本等國家均將鎵列入戰(zhàn)略性關鍵礦產(chǎn)目錄。我國商務部、海關總署于2023年8月1日起對鎵、鍺相關物項實施出口管制，以應對西方國家的芯片制裁，體現(xiàn)了鎵的重要地位與戰(zhàn)略意義。

電積是從溶液中提取金屬鎵的重要方法。由于鎵的理論析出電位較氫氣析出電位更負，傳統(tǒng)鎵電積過程析氫副反應嚴重(HER)，導致電流效率低，在工業(yè)生產(chǎn)中通常只有10%左右。另外，作為濕法冶金過程中的能量密集型工序，電積過程往往伴隨著大量的能量消耗。因此，如何抑制鎵電積過程中的析氫副反應，提高電流效率并降低電能消耗，是實現(xiàn)低碳、高效提取鎵的重要挑戰(zhàn)。

針對這一問題，本研究創(chuàng)新提出脈沖-旋流強化電積提取鎵的新思路，該方法耦合了旋流電積和脈沖電鍍技術二者的優(yōu)勢。通過電解液高速流動以增強離子對流傳質(zhì)，有效降低擴散層厚度；同時，在脈沖電流間斷過程，反應物離子通過擴散和對流傳質(zhì)迅速補充至電極表面，進一步降低擴散層厚度（圖1）。該方法從擴散和對流兩個角度強化離子傳質(zhì)過程，相比于傳統(tǒng)平板電積，顯著消除了濃差極化的負面影響，有效抑制析氫副反應并提高電流效率。

圖1 平板直流電積(a)、旋流電積(b)和脈沖旋流電積(c)技術的裝置及機理示意圖

本研究首先通過電化學實驗初步證明了其可行性，并闡釋了在高電流密度下鎵電沉積反應具更高優(yōu)先級的電化學機理。然后通過單因素實驗探究了電流密度、頻率、占空比和振幅等對電流效率的影響，確定了優(yōu)化工藝參數(shù)（圖2）。結(jié)果表明：脈沖-旋流電積工藝相比于傳統(tǒng)直流平板電積工藝在各項指標上均有顯著提升（圖3），在相同的平均電流密度下，電流效率提升了52.28%，比能耗降低了31.57%，產(chǎn)能提升了52.28%。

圖2 脈沖-旋流電積中各指標對電流效率的影響

圖3 脈沖-旋流電積技術的機理示意圖及相關技術指標

本研究通過集成創(chuàng)新，將脈沖電鍍和旋流電積技術的優(yōu)勢結(jié)合起來，實現(xiàn)了“1+1>2”的成效，有效地提升了鎵電積過程中的電流效率。此外，脈沖-旋流電積技術在濕法冶金領域具有較強的普適性，有望推廣應用至其它析出電位較負金屬的回收。

該項工作得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金的經(jīng)費支持，還得到了中南大學高等研究中心在分析檢測方面提供的幫助。

中南大學郭學益教授、田慶華教授團隊長期從事旋流電積方面研究，早在2009年就率先開展了相關研究工作，發(fā)表了系列學術論文和授權了相關發(fā)明專利，為銅、鎳、鈷、碲、銦等有色金屬的清潔高效提取做出了大量工作。

（一審：劉左偉，二審：許志鵬，三審：田慶華）