用微生物酸电沉积法高效分离钴和镍

随着新能源产业快速发展，钴（Co）和镍（Ni）作为锂离子电池、航空航天高温合金及催化剂的关键金属，需求激增，但其全球储量有限、开采面临地缘政治与环保伦理风险，供应紧张日益加剧。二者常共存于红土矿、废旧电池、矿山废水等复杂原料中，高效分离是资源循环利用的核心瓶颈。传统溶剂萃取法虽成熟，却依赖大量有毒有机试剂、需多级萃取和复杂预处理，成本高、污染重、难放大；化学沉淀法虽简化流程，但易受杂质离子干扰，所得产物还需额外提纯，整体效率低。

本研究创新性地采用生物来源的有机酸（“生物酸”）作为绿色配体，在电积过程中调控钴、镍离子的溶剂化环境。通过系统筛选13种生物酸，发现酒石酸效果最优：其分子结构中相邻羧基与α-羟基协同作用，能与镍离子形成异常稳定的双核络合物（M₂(H₂O)₄(Tar)₂），而与钴离子结合较弱。这种稳定性差异显著拉大了二者还原电位差（达191 mV），使钴在阴极优先、选择性析出。实验表明，在模拟三元锂电池（NMC111）浸出液中，单次电积即可获得94.7%纯度的钴；经“电积—电解脱附—再电积”两步纯化后，钴纯度提升至99.1%，回收率达78.6%。

为实现规模化应用，研究进一步构建连续流式反应系统：先在pH=6、含200 mM酒石酸条件下选择性回收钴；再调pH至3.5沉淀回收酒石酸（回收率约70%）；随后在低配位环境下电积回收镍（纯度96.5%）；最后在阳极同步氧化回收二氧化锰（纯度近100%）。全过程无需强酸强碱，不产生含重金属废渣。技术经济分析（TEA）显示，该工艺单位钴处理成本仅0.042美元/克，比传统溶剂萃取（0.706美元/克）降低94%；生命周期评估（LCA）证实其在呼吸系统影响、化石能源消耗、酸化等10项环境指标上平均减排超81%，显著优于现有技术。该平台不仅解决了钴镍分离难题，更为复杂废料中关键金属的绿色、智能、规模化回收提供了普适性新范式。