一步提取深海矿石中的重要金属，环保又高效

随着全球向可持续低碳经济转型，关键金属（镍、钴、铜、锰等）的需求日益增长。这些金属在可再生能源技术、电动汽车生产和储能系统中不可或缺，例如镍、钴、锰是锂离子电池 cathode 材料的关键元素，能提高能量密度和稳定性；铜则是电气系统的重要导体。据预测，到2050年，全球镍需求将达约1000万吨/年，钴、铜、锰需求分别约为140万吨、6000万吨和1900万吨。然而，目前这些金属主要来自陆地储量，面临矿石品位下降、开采废料量大、碳排放高等问题。陆地铜矿平均品位仅0.6%，生产1吨铜会产生约200吨废料；镍和钴的开采也存在类似问题，每年产生约40 - 50亿吨含重金属和酸的废料，环境风险严重。传统提取方法能耗高、碳排放大，如镍的 RK - EF 熔炼法每吨排放约45 - 48吨 CO2eq，钴约28.2吨，铜约4.1吨。

深海多金属结核（尤其是太平洋克拉里昂 - 克利珀顿区的结核）含有27%锰、1 - 2%镍、0.5 - 1%铜和0.1 - 0.2%钴，金属储量可能超过陆地，被视为有潜力的替代来源。但现有深海结核提取方法（如高压酸浸 HPAL）仍存在高酸耗（每吨矿石30 - 50公斤硫酸）、高耗水（达5立方米/吨）和废水污染等问题。

本文提出氢等离子体熔炼还原法（HPSR），一种可持续、高能效、部分电气化且无化石燃料的替代方法。该方法利用氢等离子体（Ar - 2.5% H2混合气体）作为还原剂，在超过1700°C的高温下，将干燥的结核矿石一步直接转化为富含关键金属（铜、镍、钴）的合金、二氧化锰（电池 cathode 前驱体）和锰硅酸盐炉渣（锰硅合金前驱体）。相比传统多步骤的 RK - EF 法（如 TMC NORI - D 项目），HPSR 无需碳基还原剂，直接碳排放减少90%，因省去煅烧步骤能效提升18%。

研究发现，在惰性气氛下熔炼结核时，铜会通过原位氧交换自发沉淀为纯金属，无需额外还原剂。其机制为：高温下结核中的 MnO2分解为 MnO，冷却至1200°C以下时，MnO 会从 Cu2O 中夺取氧并将其还原为金属铜，自身氧化为 Mn3O4。在氢等离子体作用下，氧被持续移除，金属按氧亲和力顺序（铜→镍→钴→铁→锰）依次沉淀，形成合金 nuggets，冷却后可通过机械破碎与炉渣分离。

HPSR 还能产生三种有价值的产物：富含 MnO 的粉尘（可直接用于电池材料）、铁锰硅氧炉渣（可生产铁锰硅合金）和关键金属合金。与传统合金生产需从单一矿石提取单质金属再混合不同，HPSR 直接从矿石一步形成多金属合金，简化了流程。

不过，HPSR 的大规模应用取决于绿氢成本和负责任的深海采矿方式。若使用绿氢，HPSR 可减少90%碳排放；即使使用灰氢（无碳捕集的甲烷重整），也能减少64%排放。该方法为关键金属可持续提取提供了新途径，有助于推动绿色能源转型。