论文DOI: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c04113
项目背景
该项工作受到十三五国家重点研发固废专项课题资助，多源石墨固废资源环境属性及资源化利用基础的资助（2020YFC1909601）。项目重点围绕天然石墨产业多源固废的资源环境属性特征，建立多源固废源头减量和资源化利用新方法。
石墨是重要的战略性关键矿产，广泛应用于国防军工、航空航天、新能源、核工业等领域。我国是世界石墨资源大国和最大的原材料生产国，产量和消费量长期位居世界首位。但现有开发利用中存在固废排放大（约2500万吨/年）、区域环境污染重、综合利用率低（约5%）等问题，严重阻碍了石墨产业的高质量发展。
目前，我国石墨产业固废源头减量和综合利用技术支撑体系尚未形成，适于大规模推广应用的共性关键技术及装备亟待解决。在石墨开采利用过程中，常规开采方法对环境污染严重，且开采技术不成熟，造成石墨鳞片结构破坏严重、提纯过程二次污染、固废产量大等问题。本项目根据石墨产业固废赋存特征及资源化属性，阐明在石墨露天开采、精细选矿、球形化、湿法提纯过程中产生的废石、尾矿、球形尾料、含氟废弃物等中硅、碳、氟等多元素组成、物相结构在不同酸碱、不同温度等条件下转化、迁移及分离机制，建立多源石墨固废环境属性；多源固废在资源化利用过程中元素组成、物相结构、颗粒形貌转化及转变机制，建立石墨固废资源属性。
图文摘要
研究内容
天然石墨是地球上储量丰富的碳材料，可分为脉状石墨、鳞片石墨和微晶石墨。鳞片石墨作为锂离子电池负极材料具有非常大的应用潜力，其导电性好，体积膨胀小，锂离子插入电位低。与人造石墨相比，天然石墨作为负极材料不需要石墨化过程，具有低成本的生产工艺。然而，锂离子电池负极材料要求天然石墨纯度要大于99.9%。
近日，中国科学院公旭中博士团队在化工领域期刊《Energy and Fuels》发表了题为“Hydroxyl Removal in Muscovite by Heating for Low-Fluoride Purification of Natural Flake Graphite”的论文。阐明了天然石墨球形尾料中杂质的种类和赋存状态，通过盐酸浸出，热处理，氢氟酸浸出工艺使天然石墨纯度大于99.9%，并将其用于制备锂电负极材料，以验证纯化工艺对锂离子电池负极材料性能的影响。
图1 球形尾料低氟纯化过程及纯化后的扫描电镜图
提纯过程发现氢氟酸消耗量大的原因是以白云母形式存在的硅铝酸盐，白云母与鳞片石墨共生，是鳞片石墨矿石的主要杂质，因此了解白云母的结构对鳞片石墨的提纯具有重要意义。白云母是一种富铝硅酸盐，其理想分子式为KAl2(AlSi3O10) (OH)2，而白云母在600-900℃范围加热会脱除羟基，层间距离变大。白云母结构缺陷越多，氢氟酸溶解白云母的速度越快，因此破坏其结构可以减少氢氟酸的使用量。
图2 SGT的扫描电镜及相应的EDS能谱图
作者简历
邹月玲，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院硕士研究生，主要从事天然石墨低氟提纯和电化学提纯研究。通过对天然石墨的杂质种类和赋存状态的研究，采用多种方法针对性去除杂质，获得高纯度的石墨，并将其用于制备锂电负极材料，以验证纯化工艺对锂离子电池负极材料性能的影响。
通讯作者
公旭中，中国科学院过程工程研究所副研究员。中国科学院大学岗位教授。从事多场强化电化学过程、碳基电极材料多尺度结构调控方法、电解槽设计等应用基础研究。建立多场耦合与电极结构调控协同的电化学过程强化方法。主持4项国家自然科学基金，2项国家重点研发课题，1项科技部西部支宁项目，1项科技部863课题，企业委托项目10余项。发表Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Appl. Cat. B: En., Chem. Eng. J., Carbon 等SCI论文100余篇，授权专利20余项，出版3部专著。2020-2023年获得中国教育部优秀成果奖二等奖1项，中国化工学会基础研究成果二等奖2项，中国循环经济学会三等奖1项；2020年获中国科学院大学教育教学成果二等奖和校院两级优秀课程奖，2021年获中国科学院大学思政课教学名师奖，2022年获中国科学院大学优秀讲义奖，2023年获得中国科学院大学朱李月华优秀教师奖。
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