基于低共熔溶剂（DES）从NdFeB磁体废料中选择性回收稀土元素：工艺优化与DFT机理研究

为解决电子废弃物中稀土元素(REEs)回收效率低、环境污染严重等问题，研究人员开发了一种基于胆碱氯化物-丙二酸低共熔溶剂(DES)的绿色回收工艺。通过优化预处理(碱消化/焙烧)和DES配比(1:1 ChCl-Malonic)，实现了Nd(95.5%)和Pr(92%)的高选择性浸出(Fe浸出率仅1.1%)，结合草酸沉淀和氧化焙烧获得纯度>99.5%的Nd2O3。DFT计算揭示了DES合成中35.37 eV的能量降低源于氢键形成。该研究为REEs可持续回收提供了高效环保的解决方案。

　　

随着电动汽车和风力发电的快速发展，钕铁硼（NdFeB）永磁体需求激增，而稀土元素（REEs）的供应链却面临严峻挑战。全球每年产生6200万吨电子废弃物，但仅有22.3%被有效回收。传统回收工艺依赖高温冶金或强酸浸出，不仅能耗高，还会产生大量含铁废液和挥发性溶剂污染。更棘手的是，NdFeB磁体中铁含量高达53.2%，如何实现稀土与铁的高效分离成为行业痛点。

针对这一难题，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的Jaishree Yadav团队在《Separation and Purification Technology》发表创新研究。他们设计了一种胆碱氯化物-丙二酸（ChCl-Malonic）低共熔溶剂（DES）体系，通过结合碱预处理和DFT计算指导的溶剂优化，实现了Nd/Pr选择性浸出率超95%而铁浸出率低于1.1%的突破性成果。

研究采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS）分析磁体相变，通过热重分析（TGA）评估DES热稳定性，并运用密度泛函理论（DFT）计算溶剂合成机制。关键工艺包括：NaOH碱消化（150°C）联合低温焙烧（450°C）预处理，1:1 ChCl-Malonic DES在80°C下6小时浸出，以及草酸沉淀-氧化焙烧（900°C）提纯。

3.1 磁体预处理的关键作用
XRF分析显示原始磁体含Nd 19.5%、Fe 53.2%。对比直接高温焙烧（900°C）形成的NdFeO₃难溶相，NaOH预处理使Nd转化为易溶的Nd(OH)₃，后续450°C焙烧得到Nd₂O₃，铁则变为Fe₃O₄。SEM-EDS显示预处理后稀土相与铁相明显分离，粒径分布测试证实材料比表面积增大。

3.2 DES溶剂的理性设计
FTIR和拉曼光谱证实ChCl与丙二酸通过O-H···Cl氢键形成DES，TGA显示其热稳定性达151°C。DFT计算揭示DES合成释放35.37 eV能量，HOMO-LUMO能隙分析表明电子转移主要发生在丙二酸羧基与ChCl的氯离子之间。

3.3 浸出参数的精准调控
在1:20固液比下，1:1 ChCl-Malonic DES展现出最佳选择性。温度实验表明80°C时Nd浸出率达峰值（95.5%），而Fe浸出被抑制在1.1%。时间动力学显示6小时可实现Nd/Pr同步高效回收，延长至10小时反而导致铁浸出增加。

3.4 分子机制解析
DFT优化的DES结构显示，丙二酸羧基氧优先与Nd³⁺配位（离子半径1.12 ?），而Fe³⁺（0.69 ?）因与氧结合能更高难以被溶剂化。这种"软硬酸碱"选择性使Nd₂O₃溶解的吉布斯自由能比Fe₂O₃低42%。

3.5 稀土氧化物提纯
草酸沉淀-焙烧工艺获得的Nd₂O₃纯度>99.5%，ICP-MS检测铁残留<0.01%。粒径分析显示产物平均尺寸855.2 nm，XRD谱与标准Nd₂O₃卡片完全匹配。

这项研究通过多尺度调控实现了稀土回收的三大创新：一是将预处理能耗降低50%（相比传统900°C焙烧）；二是DES溶剂使酸用量减少90%；三是DFT指导的溶剂设计为绿色化学提供了新范式。所获高纯Nd₂O₃可直接用于磁体再生产，形成闭环回收。该工艺已展示出工业化潜力，为解决稀土供应链危机和电子废弃物污染提供了双赢方案。