锌膜电极电位差驱动下钕与钇的高效分离研究

针对核废料中稀土元素(REs)分离难题，中国科学院团队通过熔盐电解法系统研究了Nd(III)/Y(III)在液态锌电极和锌膜电极上的电化学行为，发现NdZn11相较Y2Zn17具有更正的沉积电位和更低吉布斯自由能，最终实现分离因子(SF)达8.94的钕钇高效分离，为核燃料循环和稀土资源回收提供创新解决方案。

　　

在全球气候危机加剧的背景下，核能作为低碳清洁能源的战略地位日益凸显。然而核燃料循环中产生的乏燃料(SNF)含有大量稀土元素(REs)，其中钕(Nd)和钇(Y)因物化性质相似、沉积电位接近，传统分离方法效率低下。这不仅影响铀/钚的回收效率，更造成稀土资源的巨大浪费——这些元素在医疗植入物、储氢材料和超导体等领域具有不可替代的作用。

为解决这一难题，中国研究人员在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地采用LiCl-KCl熔盐体系，通过对比钨电极和液态锌电极上的循环伏安(CV)和方波伏安(SWV)行为，发现锌电极对Nd(III)的去极化作用更强，使其沉积电位显著正移。研究团队进一步通过恒电位电解(PE)证实，液态锌电极的分离因子(SF)仅1.75，而锌膜电极因形成不同金属间化合物(NdZn₁₁和Y₂Zn₁₇)使SF提升至8.94，这归因于NdZn₁₁更低的活度(activity)和吉布斯自由能。

关键技术包括：1) 采用773K高温电化学工作站进行CV/SWV测试；2) 通过X射线衍射(XRD)鉴定金属间化合物相；3) 基于能斯特方程计算热力学参数；4) 控制Zn(II)浓度优化分离条件。

【主要结果】

1. 电化学行为差异：在液态锌电极上，Nd(III)的还原电位(-1.85V)比Y(III)(-2.05V)正200mV，而在钨电极上两者仅相差20mV。
2. 金属间化合物特性：Zn膜电极上形成的NdZn₁₁标准生成自由能(-48.7kJ/mol)显著低于Y₂Zn₁₇(-35.2kJ/mol)。
3. 分离效能：当Nd(III)/Y(III)浓度比为1:1时，5小时PE后熔盐中Nd浓度降至初始值12.3%，对应SF值达8.17。

结论部分强调，该研究首次阐明Zn膜电极上Nd/Y分离的电位差放大机制，相比传统液态电极成本降低80%（锌单价286/kgvs铟1753/kg）。通过真空蒸馏可回收99.9%的锌，且锌的生物相容性优于传统镉/铅电极。这项工作为核废料中战略金属回收提供了兼具经济效益和环境友好的新范式，相关机理可拓展至其他稀土元素分离体系。