基于Na-RE-F替代原料的稀土金属绿色制备新策略：消除氢氟酸危害与低温还原突破

为解决传统稀土(RE)金属生产中氢氟酸(HF)使用的高危性及RE-氟化物高温还原难题，美国能源部关键材料创新中心团队开发了NaNdF4(NNF)水热合成-钙热还原新工艺。该研究通过醋酸/硝酸/氯化钕前驱体与NaF室温反应制备NNF，证实其干燥仅释放水且无需HF，钙热还原温度降至900℃以下，金属收率达70-80%。该成果发表于《Nature Communications》，为永磁体产业链提供了更安全、环保的RE金属制备方案。

　　

稀土金属是现代工业的"维生素"，尤其是钕(Nd)、镨(Pr)等元素制造的永磁体，支撑着电动汽车、风电等清洁能源技术。然而当前稀土金属生产面临双重困境：一是原料RE-氟化物制备依赖剧毒氢氟酸(HF)，其腐蚀性和健康风险极大；二是传统钙热还原法需1300℃以上高温并添加助熔剂，能耗高且工艺复杂。更棘手的是，全球稀土供应链受地缘政治影响显著，亟需开发更安全、高效的替代生产技术。

美国能源部艾姆斯国家实验室的Anirudha Karati团队在《Nature Communications》发表突破性研究，提出以Na-RE-F双盐替代传统RE-氟化物的全新解决方案。研究人员通过室温水热法，用醋酸钕(Nd(CH₃COO)₃)、硝酸钕(Nd(NO₃)₃)和氯化钕(NdCl₃)三种前驱体与氟化钠(NaF)反应，成功制备出α-NaNdF₄(α-NNF)，其中醋酸路线产物纯度达100%。关键创新在于整个流程完全规避HF的使用，干燥过程仅释放水蒸气，经质谱验证无HF生成。

研究采用同步热分析(TGA-DSC)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等技术系统表征材料特性。热分析显示NNF在394-642℃发生α→β相变并形成NaF-NdF₃共晶体系，使还原温度降至880℃。在真空诱导加热系统中，以2.6倍化学计量的钙还原NNF，获得纯度达99.9%的钕金属(含O:925ppm，C:176ppm)，收率70-80%。

"结果"部分揭示三大关键发现：

1. 前驱体适应性：三种钕盐均可转化为NNF，但醋酸路线产物纯度最高(表1)，氯化物路线含10% NdF₃杂质，这与原料中NdOCl副产物有关。
2. 热力学行为：DSC检测到NNF在642-821℃存在熔融和相变峰(图2a)，TGA证实质量损失<2%(图2b)。500℃热处理后形成β-NaNdF₄/NdF₃/NaF三相(图4)，其中NaF原位生成起到助熔作用。
3. 金属制备：钙热还原后XRD仅检测到六方钕金属相(图5b)，杂质水平满足工业要求，且工艺无需额外添加助熔剂。

这项研究开创了稀土冶金的新范式：通过设计Na-RE-F双盐体系，同步解决原料毒性和工艺能耗两大瓶颈。其意义不仅在于消除HF使用带来的安全隐患，更通过降低200℃以上的还原温度显著减少能耗。研究团队已就该项技术申请专利，为永磁体产业链提供符合环保法规的稀土金属制备方案。未来扩大生产规模后，该技术有望重塑稀土供应链格局，加速交通领域脱碳进程。