迈向更清洁的稀土金属生产：低温氯化物基熔盐中直接 Nd2O3 热电化学还原的技术经济性与生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Towards cleaner rare earth metal production: Techno-economic and life cycle assessment of direct Nd 2O 3 pyroelectroreduction in low-temperature chloride-based molten salt

　　

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  在 450°C 的 LiCl-KCl 熔盐中实现了低温 Nd₂O₃ 电化学还原。
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  与商用氟基熔盐 (FBM) 相比，氯基熔盐 (CBM) 路线降低了资本支出 (CapEx) 和运营支出 (OpEx)。
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  密度修正的 CapEx 模型通过考虑反应器的实际尺寸，提高了电冶金化成本的准确性。
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  生命周期评估显示，在所有莱顿环境中心 (CML) 中期指标中，环境影响均较低。
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  在氯盐中进行颗粒进料电化学还原实现了稀土元素 (REEs) 的环保生产。

引言

钕 (Nd) 金属在现代社会中至关重要，主要是因为它是制造钕铁硼 (NdFeB) 磁体的关键，而钕铁硼磁体是全球商用最强永磁体。这些磁体具有优异的强度重量比，使得开发紧凑、轻量且高效的技术成为可能，这对于先进电子产品、可再生能源和汽车产业至关重要 (Ghorbani et al., 2025)。在清洁能源领域，钕也是混合动力和电动汽车中强大电动机的关键，同时也是大型直驱风力涡轮机高效发电机中的关键，两者都是全球向绿色能源过渡的关键 (Kaya, 2024)。在消费电子产品中，这些磁体有助于缩小耳机、麦克风、计算机硬盘等设备并提高其性能，以及智能手机组件如触觉反馈电机和相机系统 (Kittisupakorn et al., 2018)。此外，钕磁体在医疗设备中也是必不可少的，为高分辨率 MRI 机器和其他专业工具提供所需的强稳定磁场，以及各种工业电机 (Zablotskii and Polyakova, 2025)。

钕金属可通过金属热还原（如钙热还原）或熔盐电解生产 (Yu et al., 2025; Sarfo et al., 2021)。熔盐电解是工业上首选的钕生产方法，优于金属热还原，因为它提供连续操作、更高效率、更好的纯度控制，以及满足大规模需求的更大经济可行性 (Wei et al., 2024; Li et al., 2023)。电解能够精确控制反应参数，从而获得更高的产率和纯度，并适合连续、大批量生产 (Sarfo et al., 2021)。相比之下，金属热还原通常是具有可扩展性限制的间歇过程，试剂成本更高，并且需要额外的处理步骤以获得类似的纯度并从废渣中分离钕金属 (Sharma Ram, 1986)。

通常，钕金属生产的熔盐电解根据原料相态分为两组：(I) 溶解化合物的还原和 (II) 固体氧化物的直接电化学还原。第一组涉及溶解的钕阳离子的传统电积，其中可溶性盐（如氟化钕 (NdF₃) 或氯化钕 (NdCl₃)）在熔融氟盐或氯盐（如氟化锂 (LiF) 和氯化锂 (LiCl)）中提供钕阳离子 (Nd³⁺)。通过施加适当电压，Nd³⁺ 阳离子沉积为金属钕在阴极表面 (Akolkar, 2022; Holcombe et al., 2024a; Su et al., 2025)。第二组侧重于不溶性固体氧化钕 (Nd₂O₃) 的电化学还原，通过阴极篮或流化床阴极送入电化学电池并在阴极直接还原 (Mirza et al., 2023; Choi et al., 2017; Abdulaziz et al., 2014)。虽然这两种方法都利用熔盐电解，但它们的根本区别在于钕源材料在阴极界面是处于离子溶解状态还是固体氧化物形式。第一组电解面临几个挑战。还原过程通常通过不稳定的中间体进行（例如 Nd³⁺ → Nd²⁺ → Nd），这些中间体在完全沉积之前经常在阴极和阳极处被再氧化。此外，阳极表面的歧化反应和其他再氧化反应进一步限制了该路线的效率和实际应用。相比之下，第二组电解有效解决了这些限制。它采用连接到阴极的颗粒，能够实现高冶金化速率，同时抑制再氧化并避免其他可还原阳离子的竞争。这种方法为高纯度钕金属生产提供了更高效且环保的途径。此外，它生产出多孔金属海绵，可以轻松加工成钕粉 (Chen et al., 2000)。

无论是通过电积还是直接电化学还原，氟化物（如 LiF-NaF、CaF₂-LiF、LiF-NaF-KF）和氯化物（如 CaCl₂-CaO、LiCl-Li₂O、NaCl-KCl、LiCl-KCl 和 MgCl₂-KCl）都是将 Nd₂O₃ 还原为钕金属常用的熔盐。(Mukherjee et al., 2017; Shen and Akolkar, 2017; Shishkin et al., 2022)。目前，大多数钕金属是在中国通过熔盐电解生产的，使用 LiF-NiF₃ 电解质，温度高于 1000°C。这项技术与几个显著缺点相关。主要缺点是环境影响，源于使用消耗性碳阳极，其反应产生大量的二氧化碳 (CO₂) 和强效的全氟碳化物 (PFC) 温室气体 (Zhang et al., 2018)。在如此高的温度下运行也会导致高能耗，从而增加成本和巨大的碳足迹 (Schreiber et al., 2020)。热熔融氟化盐的腐蚀性加速了电化学电池材料的腐蚀和降解，从而增加了维护成本 (Holcombe et al., 2024b)。此外，Nd₂O₃ 的有限溶解度可能导致过程不稳定和频繁的阳极效应，扰乱电流 (Fu et al., 2024)。这些操作挑战通常需要间歇式操作，引入了处理极端温度下高反应性材料所固有的安全风险，从而限制了整体效率和可扩展性。

NeoCtech 公司开发的近期专利表明，连接到共晶 LiCl-KCl 熔盐阴极上的钕化合物颗粒的闭环直接电化学还原，可以在 450°C 的工艺温度下运行，同时显著减少阳极消耗和温室气体排放 (Javad et al., 2024)。尽管它具有操作优势，但我们研究的经济可行性尚未与当前的氟基熔盐还原技术进行比较。因此，在本研究中，我们旨在进行技术经济评估，以评估如在专利中所述在共晶 LiCl-KCl 熔盐中还原 Nd₂O₃ 生产钕的成本。该过程使用氯基熔盐 (CBM)，并与传统的氟基熔盐过程 (FBM) 进行比较。资本成本采用两种互补的方法进行评估：一种基于化学设备的既定指数缩放相关性，另一种使用先前为电化学还原过程提出的专门模型 (Stinn and Allanore, 2020)。观察到了这两个模型预测的资本支出 (CapEx) 之间的初始差异，主要归因于熔盐密度的根本差异及其对电解槽尺寸的影响。为此，引入了一个包含熔盐密度的修正因子，显著提高了 CapEx 估计的一致性 和准确性。随后，确定了运营支出 (OpEx)。最后，通过整合协调后的 CapEx 和 OpEx，计算了每千克钕的生产成本，为与当前部署的技术进行比较提供了坚实的基础。

章节摘要

实验

氧化钕 (Nd₂O₃, 99.9%, Sigma-Aldrich) 用作电化学还原实验的前驱体材料。选择氯化锂 (LiCl, 99%) 和氯化钾 (KCl, 99%) 作为熔盐电解质，因为它们具有相对较低的共晶温度、高离子电导率和宽电化学稳定窗口。采用 LiCl-KCl 共晶组成 (44.3:55.7 wt%) 以确保在 400-450°C 温度范围内稳定运行。在使用前，

LiCl-KCl 熔盐中 Nd₂O₃ 的电化学还原

图 2 显示了 LiCl-KCl 熔盐中 Nd₂O₃ 热电化学还原的循环伏安法 (CV) 结果。电化学测量使用含有 Nd₂O₃ 颗粒的 Ti 篮作为工作电极，石墨棒作为对电极，Ag/AgCl 作为参比电极进行。电位以 0.1 V s^?1 的速率从 0 V 扫描到 ?4 V。

相对于 Ag/AgCl，在约 ?1.7 V 和 ?2.5 V 处出现了两个阴极峰，表明 Nd³⁺ 物种到 Nd²⁺ 的逐步还原

结论

本研究证明，使用 LiCl-KCl 熔盐 (CBM) 和 Nd₂O₃ 颗粒的替代钕冶金过程，相比传统的 LiF-NdF₃ 氟基方法 (FBM) 具有显著的技术经济优势。CBM 方法在更低的温度和电压下运行，从而减少能耗，降低资本支出 (CapEx) 和运营支出 (OpEx)，且每千克钕的过程成本远低于 FBM。

CRediT 作者贡献声明

Mohsen Fakourihassanabadi: 初稿撰写，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Gholamreza Roohollahi: 审阅与编辑，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Javad Vahabzadeh Pasikhani: 审阅与编辑，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Mohammad Latifi: 监督，资源，方法论，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢加拿大自然科学与工程研究理事会 (NSERC) 和NeoCtech 公司 在开展本项目中给予的支持。

Mohsen Fakourihassanabadi|Gholamreza Roohollahi|Javad Vahabzadeh Pasikhani|Mohammad Latifi