技術(shù)成果

我國磷與稀土資源分離技術(shù)取得重大突破

稀土被稱為“工業(yè)維生素”和神奇的“新材料寶庫”，是當(dāng)今世界各國發(fā)展高新技術(shù)和國防尖端技術(shù)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不可缺少的戰(zhàn)略物資。稀土金屬已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、電子、石油化工、冶金、機(jī)械、能源、輕工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等十多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著現(xiàn)代工業(yè)“維生素”的作用，產(chǎn)生出巨大的輻射經(jīng)濟(jì)效益，國際上稱這些技術(shù)為“稀土依賴性技術(shù)”，即沒有材料可以替代稀土材料來實(shí)現(xiàn)這些重要技術(shù)。美國國防部公布的35種高技術(shù)元素中包含除钷以外的全部16種稀土元素，日本科技廳也把16種稀土元素列入26種高技術(shù)元素的范圍，美、俄、德、日、法、瑞士等國都十分重視稀土材料的研究和開發(fā)，并以此帶動(dòng)許多相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

近日，北京礦冶科技集團(tuán)馮林永博士開發(fā)的含稀土磷礦中伴生稀土分離技術(shù)取得重大突破。該技術(shù)基于傳統(tǒng)濕法磷酸生產(chǎn)工藝，在濕法磷酸生產(chǎn)過程中分離并富集伴生的稀土元素。即在傳統(tǒng)的濕法磷酸工藝之硫酸酸解前，先加入稀磷酸(磷酸工藝的返酸)進(jìn)行酸解，通過控制酸解條件，可抑制稀土的溶出，實(shí)現(xiàn)稀土與磷鈣的選擇性溶出，即將鈣和磷溶出，而稀土富集在渣中，最好條件下可將90%以上的稀土抑制在浸出渣中，與磷精礦比，渣中稀土富集比可達(dá)4～5倍，該工藝均無需加入任何添加劑，能徹底解決二水物法中稀土過度貧化和分散損失的難題，實(shí)現(xiàn)磷酸生產(chǎn)與稀土綜合回收的有機(jī)銜接，從而為從含稀土磷礦中綜合回收稀土提供了適應(yīng)濕法磷酸生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)回收稀土的技術(shù)方案。

“復(fù)雜多金屬鐵閃鋅礦綠色高效煉鋅新技術(shù)”被評(píng)為國際領(lǐng)先技術(shù)

近日，在中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織召開的成果評(píng)價(jià)會(huì)議上，由云錫文山鋅銦冶煉有限公司、中國恩菲工程技術(shù)有限公司、昆明理工大學(xué)共同完成的“復(fù)雜多金屬鐵閃鋅礦綠色高效煉鋅新技術(shù)”被評(píng)價(jià)為“整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平”。

目前，該技術(shù)已應(yīng)用于公司設(shè)計(jì)的云錫文山10萬t鋅、60t銦冶煉技改項(xiàng)目。該項(xiàng)目在國內(nèi)首次采用此種赤鐵礦除鐵工藝技術(shù)，于2018年11月24日產(chǎn)出鋅錠，2019年7月實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)。從2012年到2018年，從機(jī)理研究、小型試驗(yàn)、中試、半工業(yè)試驗(yàn)到工業(yè)化應(yīng)用，三家單位經(jīng)過長達(dá)6年的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，合力攻克了“還原浸出-赤鐵礦除鐵-鐵渣資源化”技術(shù)難點(diǎn)，掌握了整套新技術(shù)，并成功研制出全套裝備。該技術(shù)具有“環(huán)境友好、資源節(jié)約、能耗低、綜合回收率高、渣資源化、工藝技術(shù)先進(jìn)、裝備自動(dòng)化”的顯著優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜多金屬鐵閃鋅礦的高效處理提供了新的技術(shù)選擇。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于常規(guī)鋅冶煉工藝，成為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源就近開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的典范。

赤泥堆場(chǎng)無土原位修復(fù)技術(shù)助力鋁工業(yè)生態(tài)文明建設(shè)

該技術(shù)以赤泥的土壤化改良為基礎(chǔ)，結(jié)合植物修復(fù)和微生物修復(fù)的手段，在赤泥堆場(chǎng)中構(gòu)建完整的生態(tài)系統(tǒng)，加速堆場(chǎng)的土壤化進(jìn)程。該技術(shù)成果一是結(jié)合鹽堿調(diào)控、團(tuán)聚體構(gòu)建、養(yǎng)分調(diào)理等多重修復(fù)手段，快速實(shí)現(xiàn)赤泥的土壤化；二是聯(lián)合引入優(yōu)選的耐鹽堿植物和微生物，通過先鋒作物和微生物的生長繁衍和后期鄉(xiāng)土作物的定居生長，在赤泥堆場(chǎng)構(gòu)建完整的生態(tài)群落，提高了生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性；三是修復(fù)后的赤泥土壤輪種牧草、經(jīng)濟(jì)作物(冬小麥)，實(shí)現(xiàn)赤泥堆場(chǎng)還耕再利用。

該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的赤泥堆存方式，首次實(shí)現(xiàn)了高溫拜耳法赤泥堆場(chǎng)的無土原位修復(fù)及其還耕利用，填補(bǔ)了國內(nèi)赤泥堆場(chǎng)無土原位生態(tài)修復(fù)的技術(shù)空白,并較常規(guī)客土覆蓋法修復(fù)成本節(jié)約30%～40%，每萬畝可節(jié)約1.2至2.3億元。赤泥堆場(chǎng)無土原位修復(fù)技術(shù)對(duì)土壤的修復(fù)效果好、應(yīng)用范圍廣、修復(fù)成本低，市場(chǎng)推廣前景非常廣闊。企業(yè)依托修復(fù)的赤泥堆場(chǎng)，可將其打造成綠色生態(tài)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的示范園區(qū)，為鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。

2018年，在某企業(yè)赤泥堆場(chǎng)開展了3 000 m2的赤泥堆場(chǎng)無土原位修復(fù)技術(shù)示范工程，并在修復(fù)的赤泥堆場(chǎng)上采用夏秋季種植牧草、冬春季種植小麥的輪種方式對(duì)土地進(jìn)行利用。收獲的先鋒牧草作物無機(jī)污染物指標(biāo)符合GB 13078—2017《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求；收割的冬小麥?zhǔn)称钒踩珯z測(cè)重金屬含量符合GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》要求。

金環(huán)磁選聯(lián)合贛研所對(duì)鎢細(xì)泥回收技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)獲得成功

江西滸坑鎢業(yè)有限公司原鎢細(xì)泥回收采用2臺(tái)濕式平環(huán)強(qiáng)磁選機(jī)進(jìn)行預(yù)富集，由于該設(shè)備使用多年以來，存在線圈老化，齒板介質(zhì)容易堵塞等技術(shù)難題，導(dǎo)致鎢回收率低，精礦含泥多，造成了生產(chǎn)不連續(xù)。

對(duì)此，金環(huán)磁選設(shè)備有限公司聯(lián)合贛州有色冶金研究所原工藝裝備進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，力爭(zhēng)采用1臺(tái)SLon-1250T(1.3)立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)代替2臺(tái)原平環(huán)強(qiáng)磁選機(jī)。通過試驗(yàn)表明，在給礦品位略有下降的情況下，采用單臺(tái)SLon立環(huán)高梯度磁選機(jī)回收鎢細(xì)泥，回收率達(dá)到62.99%，比原來2臺(tái)平環(huán)磁選機(jī)作業(yè)回收率高出7.69%。同時(shí)，SLon立環(huán)磁選機(jī)精礦不含泥，使后續(xù)浮選作業(yè)指標(biāo)明顯提升，且設(shè)備運(yùn)行整體穩(wěn)定。目前，通過改造后一個(gè)月的實(shí)際情況來看，細(xì)泥段鎢精礦產(chǎn)品已經(jīng)增產(chǎn)約1.3個(gè)標(biāo)噸，整個(gè)選廠鎢回收率上升了1.7%。

該工藝主要是在原生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，稍加進(jìn)行技術(shù)改造，通過立環(huán)磁選機(jī)代替平環(huán)磁選機(jī)取得了優(yōu)異的指標(biāo)，不僅為企業(yè)有效增創(chuàng)了效益，減少了生產(chǎn)成本，也更進(jìn)一步驗(yàn)證了立環(huán)磁選機(jī)代替平環(huán)磁選機(jī)的可行性，為江西鎢業(yè)控股集團(tuán)旗下更多的鎢礦山提高選礦指標(biāo)提供了參考。

綠色高效稀土催化劑為“大煙囪”強(qiáng)力去污

日前，內(nèi)蒙古希捷環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司(以下簡稱“希捷環(huán)?！?自主研發(fā)生產(chǎn)的稀土基脫硝催化劑已安全使用超過24000h，性能穩(wěn)定，仍在安全運(yùn)行中。

全新的SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝設(shè)計(jì)，反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，SCR反應(yīng)器內(nèi)布置4層催化劑，每層排布5×9個(gè)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)72條產(chǎn)品。經(jīng)過測(cè)試，脫硝效率與氨逃逸、SO2和SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器整體煙氣阻力、氨耗量等指標(biāo)都考核合格。

稀土基脫硝催化劑的活性成分是由鑭、鈰、釔等稀土元素氧化物和其他過渡金屬氧化物組成，以鈦基陶瓷為第一載體、鈦鋯復(fù)合金屬氧化物為第二載體，利用稀土元素具有在未充滿電子的4f軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)，作為催化劑活性成分使用時(shí)，表現(xiàn)出電子“存儲(chǔ)器”的性質(zhì)，有效地儲(chǔ)存伴氧空位形成產(chǎn)生的自由電子，進(jìn)而充分促進(jìn)分子氧的吸附和活化。產(chǎn)品徹底擺脫了傳統(tǒng)催化劑五氧化二釩的成分，還針對(duì)釩基脫硝催化劑的各項(xiàng)性能進(jìn)行了優(yōu)化。

首先，團(tuán)隊(duì)通過Zr4+等助催化離子摻雜，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與缺陷調(diào)控，首次發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)引發(fā)催化劑表面酸性位變化，進(jìn)而提出多元氧化物同時(shí)存在B、L酸性位的新假說，拓寬了催化劑活性溫度窗口。其次，技術(shù)團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)催化劑支撐體僅限于骨架功能的概念。提出多相蜂窩陶瓷，由于多孔薄壁的特點(diǎn)，大大增加了載體的幾何表面積并改善了抗熱沖擊性能，是催化載體的好材料。并根據(jù)此特性，發(fā)明了助催化脫硝功能的Al2TiO5-TiO2-SiO2多相蜂窩陶瓷支撐體，利用國產(chǎn)TiO2、SiO2、Al2O3為原料通過化學(xué)修飾、納米改性和引入非化學(xué)計(jì)量，使得支撐體的表面結(jié)構(gòu)缺陷氧空位增加、表面酸性提高、比表面積加大、脫硝活性增強(qiáng)，支撐體的強(qiáng)度增加、熱膨脹系數(shù)大大降低。

我國造出新型平面化鋅錳微電池

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)發(fā)展了低成本、規(guī)?；慕z網(wǎng)印刷技術(shù)，制備出優(yōu)良的二次水系平面化鋅錳微型電池。相關(guān)進(jìn)展發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)上。在同期期刊上，韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)究院(UNIST)微型儲(chǔ)能專家Sang-Young Lee為該文撰寫點(diǎn)評(píng)文章“可規(guī)模、更安全、可印刷的鋅錳平面微型電池可廣泛應(yīng)用于智能電子器件”，對(duì)該工作進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

平面化微型電池具有高度集成一體化的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)三明治構(gòu)型電池體積大、機(jī)械柔性差、彎曲狀態(tài)下界面易分離等缺點(diǎn)，是非常具有發(fā)展前景的一類新型可穿戴電子器件功率源。為了進(jìn)一步提高電池功率源的安全性能，研究人員正在積極開發(fā)高安全水系電解液取代可燃性有機(jī)電解液，構(gòu)建安全性高的水系平面化微型電池。其中，得益于電極材料的豐富儲(chǔ)量，鋅錳水系電池備受關(guān)注。然而，目前發(fā)展與集成電子器件高度兼容的高安全、低成本平面鋅錳電池關(guān)鍵制備技術(shù)仍然非常缺乏。

為解決這一問題，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種低成本、簡單高效、規(guī)?；慕z網(wǎng)印刷技術(shù)，成功制備出兼具良好機(jī)械柔性、高安全和長壽命的新概念水系平面化鋅錳微型電池。科研人員首先以二氧化錳、鋅粉、石墨烯為功能材料，分別配置出鋅錳電池的正負(fù)電極和石墨烯集流體觸變性油墨；然后采用多步絲網(wǎng)印刷的方法，實(shí)現(xiàn)了平面化鋅錳微型電池簡單、低成本的規(guī)模化制備。該鋅錳電池不僅具有環(huán)境友好、高安全的特點(diǎn)，而且表現(xiàn)出了超長的工作壽命，在5C的電流密度下循環(huán)1 300圈仍能保持83.9%的比容量，同時(shí)兼具良好的機(jī)械柔性和性能一致性。

此外，印刷基底的多樣性可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。重要的是，絲網(wǎng)印刷是工業(yè)上已成熟的技術(shù)，因此該工作提出了一種非常有工業(yè)應(yīng)用前景的規(guī)模化制備平面化鋅錳微型電池的方法，也為其他平面化柔性儲(chǔ)能器件的發(fā)展提供了新思路。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。

我國科學(xué)家研究出一種分米級(jí)單晶薄膜的制備新方法

為開辟硅基電子器件之外的新途徑，基于量子材料的新器件研究成為前沿?zé)狳c(diǎn)。作為量子材料的重要分支，二維量子材料厚度只有原子級(jí)且量子效應(yīng)顯著，大面積、高質(zhì)量的二維單晶制備是實(shí)現(xiàn)二維器件規(guī)?；瘧?yīng)用的核心關(guān)鍵，然而晶格的非中心反演對(duì)稱性給二維單晶生長帶來了極大挑戰(zhàn)。

在量子調(diào)控與量子信息重點(diǎn)專項(xiàng)資助下，北京大學(xué)劉開輝課題組與合作者設(shè)計(jì)出一種具有特殊臺(tái)階方向的非中心反演對(duì)稱性的單晶晶面Cu(110)/<211>,利用其臺(tái)階邊緣與六方氮化硼晶疇中硼型和氮型鋸齒形邊界耦合強(qiáng)度的能量差打破晶疇在襯底表面取向的對(duì)稱性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)六方氮化硼晶疇單一取向的控制生長，并無縫拼接為分米級(jí)單晶薄膜。研究還結(jié)合原位生長技術(shù)與理論計(jì)算對(duì)生長過程進(jìn)行了深入動(dòng)力學(xué)研究，提出了全新的生長機(jī)理。該研究工作提供了一種制備二維單晶的普適方法，為二維器件規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超薄新型太陽能電池結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率接近20%

納米科學(xué)和納米技術(shù)中心(C2N)的研究人員與德國Fraunhofer ISE的研究人員合作，通過在納米結(jié)構(gòu)背鏡上制成205 nm厚的GaAs超薄吸收層的新型太陽能電池結(jié)構(gòu)，獲得了接近20%的高轉(zhuǎn)換效率。

到目前為止，具有20%效率的最先進(jìn)的太陽能電池需要至少1 μm厚的半導(dǎo)體材料層(GaAs，CdTe或銅銦鎵硒)，或者甚至40 μm或更厚的硅材料層。厚度減少從而縮短了沉積時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省了諸如碲或銦等稀缺材料的用量。但是，減薄吸收劑會(huì)隨之減少陽光的吸收和轉(zhuǎn)換效率。電池背面的平面鏡具有雙向吸收通路，但其本身并不能吸收。以往的捕獲光的方式使得太陽能電池在光學(xué)和電學(xué)損耗方面的性能受到很大限制。

由StéphaneCollin和Andrea Cattoni領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的研究人員與Fraunhofer ISE合作，在納米科學(xué)和納米技術(shù)中心- CNN(CNRS /巴黎- 薩克萊大學(xué))的研究小組中開發(fā)了一種通過205nm厚的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體砷化鎵來捕獲光的新方式。主要是制造納米結(jié)構(gòu)的背鏡，以在太陽能電池中產(chǎn)生多個(gè)重疊共振，即為法布里- 珀羅和導(dǎo)模共振。它們限制光在吸收器中停留更長時(shí)間，盡管材料量很少，但仍能實(shí)現(xiàn)有效的光學(xué)吸收。由于存在無數(shù)共振，在從可見光到紅外的太陽光譜的大光譜范圍內(nèi)吸收得到增強(qiáng)。控制納米級(jí)背鏡的制造是該項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵方面。團(tuán)隊(duì)使用了納米壓印光刻技術(shù)，是一種廉價(jià)，快速和可擴(kuò)展的技術(shù)，用于壓印溶膠- 凝膠衍生的二氧化鈦薄膜。

發(fā)表在Nature Energy上的研究成果表明，這種架構(gòu)在短期內(nèi)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)25%的效率。即使現(xiàn)在還不確定該項(xiàng)技術(shù)的極限是多少，研究人員仍然確信厚度可以進(jìn)一步減少至少兩倍而不會(huì)降低效率。GaAs 太陽能電池受成本制約在商業(yè)化應(yīng)用上還存在一定限制，因此研究人員已將這一技術(shù)概念擴(kuò)展到由CdTe、CIGS或硅材料制成的大型光伏器件上。