從TMS 2020看水科技應用相關材料現況：材料世界網

張婷婷/工研院材化所

前言

第149屆TMS材料年度會議與展覽(149th TMS Annual Meeting and Exhibition)於2020年2月在美國聖地牙哥會議中心舉行，會議由美國礦物、金屬及材料學會(The Minerals, Metals & Materials Society; TMS)主辦。TMS為美國材料界歷史最悠久且重要的學會之一，主要分為5個專業學門：分別為光電磁材料學門 (Electronic, Magnetic & Photonic Materials Division)、提煉製造學門(Extraction & Processing Division)、輕金屬學門(Light Metal Division)、材料製造加工學門(Materials Processing & Manufacturing Division)與結構材料學門(Structure Materials Division)。

TMS學會每年皆主辦數次國際會議，今年舉辦的材料年會，研究項目包含礦物、金屬、材料科學與工程，幾乎涵蓋所有材料領域，探討內容含括先進材料、電子材料、能源環境、金屬材料、核能材料、奈米材料、生物材料、防蝕材料、材料設計、材料機械性質等，共有來自70個國家超過4,000位專家學者共同參與此年度盛事。此次研討會內容包含85場主題演講、超過500篇的口頭報告交流及近千篇的海報論文發表，內容精彩豐富而多元。參與會議的人員包含各國的專家學者、儀器公司、研究單位、博碩士生等，針對礦物、金屬、材料科學與工程的研究進行討論交流，參與此盛會可了解各國材料開發之現況與技術發展趨勢。

研討會重點內容

TMS會議內容多元廣泛，幾乎涵蓋所有材料領域，且分會場次時間安排緊湊，無法全面參與，本文主要鎖定與水科技應用相關之材料議題，內容包含稀有金屬回收、水質感測與仿生材料技術。

1. 稀有金屬回收程序---鋰、鈷、稀土金屬

現代科技中的關鍵技術，需仰賴稀有金屬資源的應用，故稀有金屬對於現代科技影響甚多，因此TMS會議將稀有金屬回收程序納入重要的主題之一。以全球動力電池產業而言，鋰、鈷、鎳為重要的金屬材料，資源分布集中度高且呈現資源壟斷狀況，因此發展稀土回收技術勢在必行。其中多倫多大學Gisele Azimi助理教授研究團隊已建立完整的鋰電池回收流程，可有效從鋰電池回收鋰、鈷、鎳、錳等金屬材料，此完整回收流程包含前處理、金屬萃取、產品分離到最終製作成陰極材料回到電池市場中，如圖二所示。

陰極材料前處理分離程序如圖三所示，首先，將鋰電池拆解下來的陰極板放置真空乾燥機24小時(控制在80 ℃)，後續利用超音波水洗陰極板2~3分鐘，再放置於真空過濾設備分離陰極材料，後續將陰極材料置入50 ℃環境下烘箱乾燥24小時，再以研缽和杵搗碎，最後將材料震盪混合1~2分鐘，即完成前處理分離程序。以ICP-OES分析結果，前處理後的陰極材料主要成分為鈷(35.8 wt%)、鎳(8.77 wt%)、錳(8.11 wt%)、鋰(5.79 wt%)，另外還有鋁約0.24 wt%與銅0.05 wt%。

圖三、陰極材料前處理分離程序

接下來在金屬萃取部分，取5g前處理後的陰極材料放置於500mL錐形瓶，加入HCl、H₂SO₄+H₂O₂ 2種萃取溶劑，後續以ICP-OES進行萃取效率比較。其中重要參數包含溫度、酸濃度、雙氧水濃度、液/固比例等，如圖四所示。在HCl萃取試驗中，溫度、酸濃度、雙氧水濃度、液/固比例等所有參數對於萃取效率皆呈現正相關；另一方面，H₂SO₄萃取試驗中，明顯發現雙氧水濃度是主要影響萃取效率的關鍵參數。固液萃取效率可依據Shrink Core Model進行解釋，如圖五所示，主要可分成Film、Ash(目標金屬萃取液)與Reactant(固相陰極材料)三層，利用萃取效率與時間關係，找出實際反應速率限制步驟為擴散或是表面化學反應。依照目前H₂SO₄+H₂O₂萃取擬定的化學方程式如圖六所示，依照化學反應動力實驗結果，造成此反應主要限制步驟為表面化學反應，因此可藉---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。