将采矿尾矿回收利用，制成经过缺陷工程处理的氧化铁，用于锂离子电池和锂氧电池的生产

《Inorganic Chemistry Communications》：Recycling mining tailings into defect-engineered iron oxide for lithium-ion and lithium-oxygen batteries

从韩国产钒尾矿中回收α-Fe?O?并经行星球磨和氮热处理调控其Fe2?/Fe3?比例及氧空位浓度，显著提升了材料在锂离子电池（容量保持率81.2%）和锂氧电池（放电电压2.71 V）中的电化学性能，为尾矿资源化制备储能电极提供新策略。

　　在现代科技迅猛发展的背景下，矿物资源的开采已成为支撑我们日常生活的重要环节。然而，这一过程不仅带来了大量的资源消耗，还伴随着显著的环境影响。特别是在矿产开采过程中，会产生大量被称为尾矿的废弃物。尾矿通常是由岩石碎片、原始矿石以及提取过程中使用的化学物质混合而成，其成分复杂且难以处理。如果尾矿未能妥善储存，还可能对周边土壤和水体造成严重的污染。例如，硫化矿石在尾矿中与空气和水接触时，会生成硫酸，进而引发酸性矿坑排水（AMD）现象，这种现象不仅加剧了污染，还会导致重金属的进一步扩散。

为了应对这些环境问题，尾矿的处理方式逐渐从传统的废弃处理转向了资源回收与再利用。目前，尾矿的利用主要集中在两个方向：一是将其作为建筑材料使用，二是从中提取有价值的金属元素。近年来，研究者们开始关注将尾矿直接转化为功能性材料的可能性，例如利用尾矿中丰富的铁氧化物作为催化剂、颜料或水处理材料。与此同时，随着锂离子电池（LIBs）和锂氧电池（LOBs）需求的不断增长，寻找可持续的电极材料成为研究热点。铁氧化物因其优异的电化学性能，被认为是LIBs和LOBs中极具潜力的电极材料之一。

尽管铁氧化物具有诸多优势，例如理论容量高、铁资源丰富、成本低廉以及环境兼容性好，但其在实际应用中仍面临一些固有的问题。例如，铁氧化物的电子导电性较差，这会限制其在电池中的电荷传输效率；此外，其在充放电过程中会发生较大的体积膨胀，这可能导致材料结构的破坏和容量的快速衰减；同时，铁氧化物的氧化还原反应动力学较慢，这也影响了其整体的电化学性能。为了解决这些问题，近年来的研究表明，通过缺陷工程调控铁氧化物的结构和化学性质，可以有效提升其导电性、锂离子扩散速率以及结构稳定性。其中，调整铁的价态（Fe2?/Fe3?）和引入氧空位等手段被认为是最具潜力的策略。

在这一背景下，本研究提出了一种创新的方法，利用行星球磨和氮气热处理技术对从韩国尾矿中回收的α-Fe?O?进行结构和化学调控，以提高其在LIBs和LOBs中的性能。尾矿的处理不仅有助于解决环境污染问题，还能够实现资源的高效利用，减少对原始矿石的依赖，从而推动可持续发展。此外，随着全球对清洁能源和高效储能技术的需求不断上升，开发具有高能量密度和长循环寿命的电极材料成为当务之急。因此，探索如何通过材料改性提升铁氧化物的性能，具有重要的现实意义。

本研究的核心在于对尾矿中回收的α-Fe?O?进行系统性的缺陷调控。首先，通过盐焙烧和水浸提工艺，从含钒的钛磁铁矿（VTM） concentrate 中提取出钒元素，并获得富含铁的尾矿残留物。这一过程不仅能够有效地分离出有价值的金属，还能够为后续的材料改性提供基础。随后，对获得的铁氧化物进行行星球磨处理，以进一步细化其结构，提高比表面积，并引入更多的缺陷。最后，通过氮气热处理技术，进一步调整铁氧化物的价态分布和氧空位浓度。这些处理手段的结合，使得最终得到的材料在电化学性能上得到了显著提升。

通过实验分析，本研究发现经过行星球磨和氮气热处理的α-Fe?O?（标记为Fe?O?-PM12–300）在LIBs中表现出较高的容量保持率，达到了100次循环后81.2%的容量保持率。同时，该材料在高倍率充放电条件下仍能保持良好的电化学性能，表明其具有优异的倍率响应能力。此外，在LOBs中，该材料也表现出稳定的放电电压（2.71 V）和较低的氧气析出（OER）充电电压（低于4.0 V），显示出较高的放电-充电效率。这些实验结果表明，通过缺陷调控可以显著提升α-Fe?O?的电化学性能，使其在LIBs和LOBs中具有广阔的应用前景。

本研究不仅为解决尾矿处理问题提供了一种新的思路，还为开发高性能、可持续的储能材料开辟了新的途径。通过将尾矿转化为电极材料，不仅可以减少对原始矿石的开采，从而降低资源消耗和环境影响，还可以为电池产业提供更加经济、环保的材料来源。此外，这种材料的改性方法具有较高的可操作性和可扩展性，能够适用于不同来源的尾矿，从而推动其在更广泛范围内的应用。因此，本研究的意义不仅在于材料科学领域，还在于对环境保护和可持续发展的贡献。

在实际应用中，铁氧化物作为电极材料的优势主要体现在其高理论容量和良好的环境兼容性。然而，由于其电子导电性较差，以及在充放电过程中发生的体积膨胀问题，其实际应用受到了一定限制。为了解决这些问题，本研究通过行星球磨和氮气热处理技术对铁氧化物进行改性，从而提高其导电性、锂离子扩散能力和结构稳定性。实验结果表明，经过改性的材料在LIBs和LOBs中均表现出优异的性能，这为未来储能技术的发展提供了重要的参考。

此外，本研究还强调了材料科学与环境工程之间的紧密联系。随着全球对清洁能源和可持续发展的重视，如何将工业废弃物转化为高附加值的产品成为研究的重要方向。尾矿的回收和再利用不仅能够减少环境污染，还能够提高资源利用效率，为循环经济提供支持。因此，本研究的意义不仅在于技术层面的创新，还在于对环境保护和资源管理的贡献。通过将尾矿中的铁氧化物转化为电极材料，不仅可以降低电池制造成本，还能够推动绿色能源技术的发展，为实现碳中和目标提供支持。

本研究的成果表明，通过合理的材料设计和改性方法，可以有效提升尾矿中回收材料的性能，使其在LIBs和LOBs中具有更广泛的应用前景。这不仅为解决尾矿处理问题提供了新的思路，还为开发高性能、可持续的储能材料开辟了新的途径。同时，这种材料的改性方法具有较高的可操作性和可扩展性，能够适用于不同来源的尾矿，从而推动其在更广泛范围内的应用。因此，本研究的意义不仅在于材料科学领域，还在于对环境保护和可持续发展的贡献。

在未来的储能技术发展中，铁氧化物作为一种潜在的电极材料，其性能提升将依赖于材料科学的进一步创新。通过缺陷调控技术，可以有效地优化材料的结构和化学性质，从而提升其在电池中的应用性能。此外，随着研究的深入，可能会发现更多能够提升铁氧化物性能的改性方法，例如引入其他类型的缺陷、调控材料的表面性质或优化其合成工艺。这些方法的进一步探索将有助于推动铁氧化物在储能领域的应用，为实现绿色、可持续的能源解决方案提供支持。

本研究还强调了材料科学与工业实践之间的互动关系。在实际工业生产中，尾矿的处理往往受到成本和技术的限制，因此如何开发高效、经济的尾矿处理方法成为重要的研究课题。通过本研究提出的材料改性方法，可以有效地提升尾矿中回收材料的性能，使其在LIBs和LOBs中具有更广泛的应用前景。这不仅为解决尾矿处理问题提供了新的思路，还为开发高性能、可持续的储能材料开辟了新的途径。同时，这种材料的改性方法具有较高的可操作性和可扩展性，能够适用于不同来源的尾矿，从而推动其在更广泛范围内的应用。

在实际应用中，铁氧化物作为电极材料的优势主要体现在其高理论容量和良好的环境兼容性。然而，由于其电子导电性较差，以及在充放电过程中发生的体积膨胀问题，其实际应用受到了一定限制。为了解决这些问题，本研究通过行星球磨和氮气热处理技术对铁氧化物进行改性，从而提高其导电性、锂离子扩散能力和结构稳定性。实验结果表明，经过改性的材料在LIBs和LOBs中均表现出优异的性能，这为未来储能技术的发展提供了重要的参考。

此外，本研究还强调了材料科学与环境工程之间的紧密联系。随着全球对清洁能源和可持续发展的重视，如何将工业废弃物转化为高附加值的产品成为研究的重要方向。尾矿的回收和再利用不仅能够减少环境污染，还能够提高资源利用效率，为循环经济提供支持。因此，本研究的意义不仅在于材料科学领域，还在于对环境保护和可持续发展的贡献。通过将尾矿中的铁氧化物转化为电极材料，不仅可以降低电池制造成本，还能够推动绿色能源技术的发展，为实现碳中和目标提供支持。

本研究的成果表明，通过合理的材料设计和改性方法，可以有效提升尾矿中回收材料的性能，使其在LIBs和LOBs中具有更广泛的应用前景。这不仅为解决尾矿处理问题提供了新的思路，还为开发高性能、可持续的储能材料开辟了新的途径。同时，这种材料的改性方法具有较高的可操作性和可扩展性，能够适用于不同来源的尾矿，从而推动其在更广泛范围内的应用。

在未来的储能技术发展中，铁氧化物作为一种潜在的电极材料，其性能提升将依赖于材料科学的进一步创新。通过缺陷调控技术，可以有效地优化材料的结构和化学性质，从而提升其在电池中的应用性能。此外，随着研究的深入，可能会发现更多能够提升铁氧化物性能的改性方法，例如引入其他类型的缺陷、调控材料的表面性质或优化其合成工艺。这些方法的进一步探索将有助于推动铁氧化物在储能领域的应用，为实现绿色、可持续的能源解决方案提供支持。

综上所述，本研究通过行星球磨和氮气热处理技术对尾矿中回收的α-Fe?O?进行结构和化学调控，成功提升了其在LIBs和LOBs中的性能。这不仅为解决尾矿处理问题提供了新的思路，还为开发高性能、可持续的储能材料开辟了新的途径。通过将尾矿转化为电极材料，不仅可以减少对原始矿石的开采，从而降低资源消耗和环境影响，还可以为电池产业提供更加经济、环保的材料来源。因此，本研究的意义不仅在于技术层面的创新，还在于对环境保护和资源管理的贡献。