随着全球经济的发展和向碳中和的转型，清洁能源技术对关键金属的需求激增[1]。然而，初级矿产资源日益稀缺，面临着品位下降、经济和环境成本上升以及严重的地缘政治供应链风险等多重挑战[2],[3],[4],[5]。值得注意的是，本文讨论的代表性金属——包括锑（Sb）、镁（Mg）、硒（Se）、碲（Te）和铟（In）——已被欧盟委员会和美国地质调查局（USGS）等全球主要机构正式列为关键矿物或关键原材料[6]，因为它们具有重要的经济价值和较高的供应链风险。
因此，战略重点已转向二次资源的回收利用，这些资源在全球范围内迅速积累，形成了巨大的“城市矿产”。例如，2022年全球电子废弃物总量达到6200百万吨，但整体回收率仅为22.3%[7]。除了电子废弃物外，大量的工业副产品（如阳极泥、冶金渣和危险污泥）既带来了严重的环境问题，也蕴含了丰富的资源潜力。目前，主要的回收技术主要是传统的火法冶金和湿法冶金，但这些技术在成本、能源和环境影响方面存在显著局限。传统的火法冶金在极端温度下操作（导致高能耗），并产生大量的二氧化硫（SO2）和重金属粉尘（造成严重环境问题）。相比之下，湿法冶金过程通常流程较长，化学试剂消耗量大（导致高经济成本），同时还会产生大量危险废水。因此，开发先进的回收和高纯度净化技术（如真空冶金）至关重要，它提供了一种工艺短、能源效率高且环保的替代方案，不仅是保障国家资源安全和工业竞争力的核心策略，也是将废弃物转化为高价值产品的关键途径，这对于实现循环经济至关重要。
选择锑（Sb）、镁（Mg）、硒（Se）、碲（Te）和铟（In）作为本综述的焦点基于两个重要理由。首先，从战略和市场角度来看，这些元素面临严重的供需不平衡和较高的供应链风险。根据美国地质调查局的最新数据[6]，全球初级碲（Te）、铟（In）和硒（Se）的产量受到严格限制（分别为每年约980吨、1080吨和3700吨），主要来自铜阳极泥和锌精炼的副产品。然而，由于CdTe光伏和ITO（氧化铟锡）市场的快速增长，这些金属的需求预计将迅速增加。同样，锑（Sb）的初级储量在全球范围内迅速枯竭，矿山生产高度集中（约10万吨），而镁（Mg）的生产则极度地理集中，一个国家就占了全球总产量的大约95%（约95万吨）。其次，从冶金角度来看，这些金属及其化合物具有独特的热力学性质——特别是在600 K至1500 K的中等温度范围内，它们的饱和蒸汽压存在显著差异——这使它们成为真空冶金的理想候选材料。目前，从二次来源（如废弃ITO或危险硒污泥）提取这些金属的传统技术往往回收率较低（例如，废弃铟的全球回收率低于30%），并且依赖于复杂的多阶段湿法浸出过程，会产生大量酸性废水。因此，应用基于真空冶金的技术提供了一种高度针对性的、节能且工艺简短的替代方案，以克服当前提取方法的局限性。
面对初级资源稀缺和二次资源回收需求的日益严峻挑战，开发高效且环保的冶金技术已成为必然。在众多前沿技术中，真空冶金在金属回收和高纯度制备方面展现了巨大的应用潜力，因为它具有高效、环保、高回收率和短生产周期的优势[8],[9],[10]。真空冶金描述了在0至10 Pa真空条件下进行金属分离、精炼和高纯度净化的工艺流程[11],[12]。该技术的核心原理包括：1）抑制氧化。真空系统有效降低了系统内的氧气分压，防止镁（Mg）和稀土等活性金属在高温处理过程中氧化[13],[14],[15],[16]；2）降低沸点。根据克劳修斯-克拉佩龙方程[17]，随着系统压力的降低，物质的沸点也会下降。真空条件可以显著降低金属的沸点，使得那些在常压下需要极高温度才能挥发的金属（如锌（Zn）、铅（Pb）、锑（Sb）在较低温度下发生相变[18]，从而实现节能目的。3）基于挥发性差异实现主要金属的分离。不同元素在同一蒸馏温度下具有不同的饱和蒸汽压，通过精确控制温度，高挥发性杂质（具有较高饱和蒸汽压）优先挥发，而低挥发性杂质（具有较低饱和蒸汽压）则留在蒸馏侧。通过冷凝，可以实现主要金属与杂质的分离、精炼和高纯度净化[19],[20],[21]。
根据上述核心原理，真空冶金技术已经发展出了适用于不同情况的工艺类型。如图1(a)所示，真空蒸馏、真空还原、真空分解和真空熔炼是最具代表性的工艺。为了客观反映真空冶金的整体研究现状和发展趋势，本文基于过去十年的文献数据进行了文献计量分析。如图1(b)所示，真空冶金领域的研究论文数量呈现出持续且显著的增长，从2015年的75篇增加到2024年的160篇，增长了一倍多，表明真空冶金逐渐受到重视。真空蒸馏仍然是真空冶金的核心研究方向，占总论文数量的65%以上。其增长趋势与其在金属分离和纯化应用中的普遍性和不可替代性相符。关于真空还原和真空分解的研究相对稳定，而真空熔炼的研究从2015年到2024年增长了200%。如图1(c)所示，真空冶金领域的关键词网络可视化集中在三个方面：工艺优化和资源回收、方法机制和数值模拟，以及跨学科技术和前沿扩展。在工艺优化和资源回收方面，重点研究了锑（Sb）、镁（Mg）、硒（Se）、碲（Te）和铟（In）的真空蒸馏分离、回收和高纯度净化；在方法机制和数值模拟方面，采用了汽液平衡、模拟和从头算分子动力学等核心技术来阐明真空冶金的分离机制。在跨学科技术和前沿扩展方面，真空冶金扩展到了热解、生物质转化和材料合成等领域，展示了其广泛的应用潜力。
鉴于初级资源的稀缺性和二次资源回收需求的挑战，开发高效且环保的冶金技术已成为必然。在众多前沿技术中，真空冶金在金属回收和高纯度制备方面展现了巨大的应用潜力，因为它具有高效、环保、高回收率和短生产周期的优势[8],[9],[10]。真空冶金描述了在0至10 Pa真空条件下进行金属分离、精炼和高纯度净化的工艺流程[11],[12]。该技术的核心原理包括：1）抑制氧化。真空系统有效降低了系统内的氧气分压，防止镁（Mg）和稀土等活性金属在高温处理过程中氧化[13],[14],[15],[16]；2）降低沸点。根据克劳修斯-克拉佩龙方程[17]，随着系统压力的降低，物质的沸点也会下降。真空条件可以显著降低金属的沸点，使得那些在常压下需要极高温度才能挥发的金属（如锌（Zn）、铅（Pb）、锑（Sb）在较低温度下发生相变[18]，从而实现节能目的。3）基于挥发性差异实现主要金属的分离。不同元素在同一蒸馏温度下具有不同的饱和蒸汽压，通过精确控制温度，高挥发性杂质（具有较高饱和蒸汽压）优先挥发，而低挥发性杂质（具有较低饱和蒸汽压）则留在蒸馏侧。通过冷凝，可以实现主要金属与杂质的分离、精炼和高纯度净化[19],[20],[21]。
根据上述核心原理，真空冶金技术已经发展出了适用于不同情况的工艺类型。如图1(a)所示，真空蒸馏、真空还原、真空分解和真空熔炼是最具代表性的工艺。为了客观反映真空冶金的整体研究现状和发展趋势，本文基于过去十年的文献数据进行了文献计量分析。如图1(b)所示，真空冶金领域的研究论文数量持续显著增长，从2015年的75篇增加到2024年的160篇，表明真空冶金逐渐受到重视。真空蒸馏仍然是真空冶金的核心研究方向，占总论文数量的65%以上。其增长趋势与其在金属分离和纯化应用中的普遍性和不可替代性相符。关于真空还原和真空分解的研究相对稳定，而真空熔炼的研究从2015年到2024年增长了200%。如图1(c)所示，真空冶金领域的关键词网络可视化集中在三个方面：工艺优化和资源回收、方法机制和数值模拟，以及跨学科技术和前沿扩展。在工艺优化和资源回收方面，重点研究了锑（Sb）、镁（Mg）、硒（Se）、碲（Te）和铟（In）的真空蒸馏分离、回收和高纯度净化；在方法机制和数值模拟方面，采用了汽液平衡、模拟和从头算分子动力学等核心技术来阐明真空冶金的分离机制。在跨学科技术和前沿扩展方面，真空冶金扩展到了热解、生物质转化和材料合成等领域，展示了其广泛的应用潜力。
鉴于初级资源的挑战和真空冶金技术的现状，本综述旨在系统地组织和总结近年来在金属回收和高纯度制备领域的研究进展。首先，将分析各种真空冶金技术的基本工艺和原理。随后，将重点讨论真空冶金在理论和模拟研究方面的进展，阐明热力学、动力学和多尺度模拟等科学问题。然后，通过涉及锑（Sb）、镁（Mg）、硒（Se）、碲（Te）和铟（In）的应用实例，验证真空冶金在金属回收和高纯度净化方面的潜力。最后，基于当前的技术障碍和未来发展挑战，提出真空冶金的研究前景和未来方向。
