《RSC Sustainability》：Electrified, decentralised upcycling of platinum-group metals from spent automotive catalysts into functional electrocatalysts
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securing platinum-group metals（PGMs，铂族金属）用于低碳技术需要既高效又可在废物来源附近部署的回收路线。研究人员报道了一种全电气化、模块化的流程，将微波辅助浸出（MWAL）与气体扩散电结晶（GDEx）耦合，以从废汽车催化剂中回
securing platinum-group metals（PGMs，铂族金属）用于低碳技术需要既高效又可在废物来源附近部署的回收路线。研究人员报道了一种全电气化、模块化的流程，将微波辅助浸出（MWAL）与气体扩散电结晶（GDEx）耦合，以从废汽车催化剂中回收和升级回收铂族金属。使用1.5 M HCl + 1.5 M NaCl在高达200 °C和液固比（L/S）≤ 10的条件下，MWAL实现了≥90%的PGM浸出率，同时在较低L/S下抑制了基体溶解。所得的多元素浸出液在室温下通过GDEx（10–200 mA cm?2）处理，选择性地将溶解的PGM转化为约5 nm的合金纳米颗粒，纯度约83–91 wt%，金属转化率>95%。回收的纳米颗粒直接用作甲醇氧化反应（methanol oxidation reaction，MOR）的电催化剂，质量活性（mass activity，MA）为241.7 mA mgPt?1，比活性（specific activity，SA）为0.42 mA cm?2，1000次循环后活性保持约85%。GDEx与MWAL之间的闭路浸出液循环再利用在保持PGM提取的同时逐步减少基体共浸出。生命周期评估（LCA）识别MWAL电力为主要热点（约占平均影响的一半），其次是GDEx废液中和。MWAL中30%的热回收和低碳电力可降低负担（气候变化方面高达60%）。以50 L h?1处理能力进行的技术经济评估（TEA）表明该路线具有稳健的活力（operating margin 13.9%，净现值NPV = 9.08 M�，内部收益率IRR = 45.1%，4年回收期），放大规模和对纳米颗粒产品的价值化可进一步提升收益。因此，MWAL-GDEx路线提供了一种可扩展、适合分散化的电气化途径，以高效率回收PGM并将其直接升级为功能性催化剂。
本研究旨在建立一条全电气化、模块化的铂族金属（PGMs）回收与升级回收价值链，通过耦合微波辅助浸出（MWAL）与CO
2供气气体扩散电结晶（GDEx），从废汽车催化剂中提取、回收并直接升级回收PGMs，实现闭环循环。该研究背景源于全球对关键金属供应安全的高度关注。铂族金属作为交通运输和工业领域不可或缺的基础催化剂，被欧盟、美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国和印度等主要经济体列为关键原材料（critical raw materials，CRMs）。然而，PGM初级供应高度集中于南非和俄罗斯（合计占全球产量>80%），加之需求受汽车催化剂主导，使得加速二次回收具有重要战略意义。2024年全球PGM回收供应仅占约35%，主要来自废汽车催化剂，表明现有回收效率亟待提升。当前全球PGM回收体系依赖少数集中式火法冶金中心，而收集与预处理环节高度分散，多次转手导致距离延长、延误增加和流失风险。此外，大量低品位PGM来源因经济因素被集中式设施忽略，未进入回收链条的PGM材料估计可达年需求的10–20%。与此同时，传统火法冶金回收能耗高、排放重，而湿法冶金路线虽具有低温运行和高金属选择性优势，但仍需技术突破以实现全电气化、分散化处理。在此背景下，欧盟H2020 PLATIRUS项目开发的MWAL技术（技术成熟度TRL 5）和PEACOC项目将其放大至TRL 7，为本研究提供了技术基础。GDEx作为同期开发的电化学技术，能够在室温常压下以CO
2和电力为唯一消耗，将金属以零价纳米颗粒形式回收，为PGM的功能性再利用创造条件。
研究人员的主要工作包括：优化MWAL参数以实现高效选择性浸出；开发GDEx工艺以实现PGM的选择性电化学还原与纳米颗粒形成；实现MWAL-GDEx全流程电气化耦合；验证回收纳米颗粒的直接电催化应用；开展生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA）以评价可持续性。
研究样品由MONOLITHOS Catalyst Ltd.提供，为粒径<2 mm的废三元汽车催化剂粉末混合物。MWAL使用1.5 L单室微波反应器（Milestone? SynthWave），单色微波辐照2.45 GHz，最大功率1500 W。GDEx采用三室构型电化学反应器（ElectroCell EC Micro Flow Cell），阴极为VITO CoRE?活性炭基气体扩散电极（GDE），阳极是铂镀层钽板，参比电极为Ag/AgCl（3 M KCl），间隔材料为Zirfon?离子渗透膜，CO
2（99.99%）由气室供给。恒电流（CP）实验使用Biologic VSP3恒电位仪进行。LCA按ISO 14040/14044（2006）标准执行，采用grave-to-gate边界，功能单位为1 g回收PGM，欧洲背景数据来自Ecoinvent v3.11数据库，软件使用SimaPro 9.5。TEA设定处理量为50 L h
?1，以PLATIRUS/PEACOC项目KPI和对欧 scrap price为基准。
**3.1 初始样品表征**
X射线衍射（XRD）表明主要晶相为堇青石（Mg
2Al
4Si
5O
18）、tazheranite（(Zr,Ti,Ca)O
2）、铈石（CeO
2）和刚玉（Al
2O
3）。ICP-OES测得PGM含量为Pd 1700 mg kg
?1、Pt 943 mg kg
?1、Rh 272 mg kg
?1。超过50 wt%颗粒粒径<0.5 mm。
**3.2 微波辅助浸出（MWAL）优化**
MWAL结果表明，温度与Pt、Rh浸出效率呈正相关。200 °C时6 M HCl体系达到Pd 95±1%、Pt 102±7%、Rh 107±18%；1.5 M HCl + 1.5 M NaCl体系为Pd 90±1%、Pt 96±1%、Rh 93±18%。>100%数值源于样品异质性和分析不确定性。稀释HCl/NaCl体系虽PGM浸出率略低，但对PGM选择性显著优于6 M HCl体系，固体质量损失降低近50%。降低L/S比从10至5仅边际降低PGM浸出率，但产生更浓浸出液，改善选择性并降低能耗。优化条件选定1.5 M HCl + 1.5 M NaCl、200 °C、L/S ≤ 10。
**3.3 气体扩散电结晶（GDEx）优化**
GDEx处理两种MWAL浸出液的结果表明，尽管存在>27种元素且基体元素过量，所有测试电流密度（10–200 mA cm
?2）下PGM去除率均接近100%。热力学上，PGM氯配合物被电生成H
2和CO还原为金属态有利，而基体元素还原不可行；GDE处的气体逸出和质量传递限制进一步抑制了较不贵金属的常规电沉积。1.5 M HCl + 1.5 M NaCl体系优于6 M HCl体系，后者因高酸性导致GDE不锈钢网腐蚀严重并释放Fe、Ni、Cr、Mn。10 mA cm
?2至200 mA cm
?2电流密度下，PGM能耗分别为15–202 kWh kg
PGM?1。各电流密度产品均为约5 nm纳米颗粒（透射电子显微镜，TEM），易团聚成簇（扫描电子显微镜，SEM），PGM占比83–91%，Cu和Pb为主要杂质。XRD确认为金属态，扫描透射电子显微镜-能谱分析（STEM-EDXS）显示Pt、Pd、Rh均匀分布，形成三元合金。优化参数表明：CO
2流量降至20 mL min
?1不影响回收率；流动-通（FT）模式和超声增强质量传递但能耗剧增；Na
2SO
4替代NaCl阳极液消除Cl
2问题；Ti网替代不锈钢网解决腐蚀；L/S = 5的高浓度浸出液提升回收动力学并降低能耗至17.5 kWh kg
PGM?1，但需控pH<1以防基体共沉淀。
**3.4 MWAL-GDEx集成与浸出液循环**
闭路循环研究显示，GDEx废液经pH调整后作为MWAL浸出液循环使用，三次循环后PGM浸出效率稳定（相对偏差<15%），基体元素溶解逐渐减少，因浸出液逐渐饱和非目标元素。GDEx对循环浸出液始终保持>95% PGM转化率。该策略减少试剂消耗、水需求和废物产生。
**3.5 GDEx回收PGM纳米颗粒在甲醇氧化中的电催化应用**
GDEx回收的PGM纳米颗粒直接用作甲醇氧化反应（MOR）电催化剂。200 mA cm
?2样品表现最优：MA = 241.7 mA mg
Pt?1（或48.1 mA mg
PGM?1），SA = 0.42 mA cm
?2。1000次循环后活性保持约85%，优于商业Pt/C的26%保持率，证明其更高耐久性。该结果为概念验证，表明GDEx可直接回收功能性电催化纳米颗粒，超越传统仅产出富集中间体的回收路线。
**3.6 生命周期评估（LCA）**
LCA结果显示MWAL平均贡献70.7%的环境影响，GDEx贡献27.4%，磨样可忽略。按输入输出分解，MWAL电力占~49.2%总平均影响，HCl占20.7%，GDEx废液中和占16.8%。30%热回收和低碳电力可使平均影响降低43%、气候变化降低60%。L/S优化、闭路浸出液循环、低氯电力等组合策略为最大减碳路径。
**3.7 技术经济评估（TEA）**
TEA基准情景（50 L h
?1，L/S = 5，200 mA cm
?2）下，年PGM-NP产量约224 kg。CAPEX 1.41 M�，OPEX 13.00 M�/年，年收入15.08 M�/年，operating margin 13.9%。NPV = 9.08 M�，IRR = 45.1%，ROI = 645.0%，4年回收期。情景分析显示：废催化剂成本增10%使IRR降至18.3%；处理量翻倍至100 L h
?1使NPV提升至21.65 M�、IRR = 62.5%；纳米产品售价增10%使IRR = 78.5%、NPV = 16.71 M�。
**结论**
本研究确立了一条全电气化、模块化的PGM回收与升级回收路线。MWAL（1.5 M HCl + 1.5 M NaCl，≤200 °C，L/S ≤ 10）实现≥90% PGM浸出，GDEx（10–200 mA cm
?2，室温）实现>95%金属转化率，产出约5 nm三元合金纳米颗粒（纯度83–91 wt%）。闭路浸出液循环保持浸出效率并提升选择性。回收纳米颗粒直接用作MOR电催化剂，MA = 241.7 mA mg
Pt?1，SA = 0.42 mA cm
?2，1000次循环后活性保持约85%。LCA识别MWAL电力为主要环境影响热点，30%热回收和低碳电力可显著降低负担。TEA表明50 L h
?1规模下经济可行（NPV = 9.08 M�，IRR = 45.1%），放大规模和产品价值化进一步增强经济性。该路线为合规、分散化的PGM回收提供了可扩展的电气化路径，直接连接循环性与脱碳化目标。
