近日，中南大学冶金与环境学院田庆华教授团队在脉冲-旋流电积高效提取战略金属镓领域取得了重要突破，相关成果Pulse cyclone electrowinning of gallium recovery for higher current efficiency and lower energy consumption（https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023. 124801）发表于国际化学工程类权威期刊《分离纯化技术》（Separation and Purification Technology）。中南大学为该项研究成果的第一完成单位，论文作者为：刘左伟、田庆华、郭学益、黄雅颂、许志鹏，其中，第一作者为冶金与环境学院博士生刘左伟，通讯作者为冶金与环境学院许志鹏副教授。

金属镓(Ga)是重要的稀散金属，是集成电路、航空航天、5G通信等领域不可或缺的关键原材料。中国、欧盟、美国、日本等国家均将镓列入战略性关键矿产目录。我国商务部、海关总署于2023年8月1日起对镓、锗相关物项实施出口管制，以应对西方国家的芯片制裁，体现了镓的重要地位与战略意义。

电积是从溶液中提取金属镓的重要方法。由于镓的理论析出电位较氢气析出电位更负，传统镓电积过程析氢副反应严重(HER)，导致电流效率低，在工业生产中通常只有10%左右。另外，作为湿法冶金过程中的能量密集型工序，电积过程往往伴随着大量的能量消耗。因此，如何抑制镓电积过程中的析氢副反应，提高电流效率并降低电能消耗，是实现低碳、高效提取镓的重要挑战。

针对这一问题，本研究创新提出脉冲-旋流强化电积提取镓的新思路，该方法耦合了旋流电积和脉冲电镀技术二者的优势。通过电解液高速流动以增强离子对流传质，有效降低扩散层厚度；同时，在脉冲电流间断过程，反应物离子通过扩散和对流传质迅速补充至电极表面，进一步降低扩散层厚度（图1）。该方法从扩散和对流两个角度强化离子传质过程，相比于传统平板电积，显著消除了浓差极化的负面影响，有效抑制析氢副反应并提高电流效率。

图1 平板直流电积(a)、旋流电积(b)和脉冲旋流电积(c)技术的装置及机理示意图

本研究首先通过电化学实验初步证明了其可行性，并阐释了在高电流密度下镓电沉积反应具更高优先级的电化学机理。然后通过单因素实验探究了电流密度、频率、占空比和振幅等对电流效率的影响，确定了优化工艺参数（图2）。结果表明：脉冲-旋流电积工艺相比于传统直流平板电积工艺在各项指标上均有显著提升（图3），在相同的平均电流密度下，电流效率提升了52.28%，比能耗降低了31.57%，产能提升了52.28%。

图2 脉冲-旋流电积中各指标对电流效率的影响

图3 脉冲-旋流电积技术的机理示意图及相关技术指标

本研究通过集成创新，将脉冲电镀和旋流电积技术的优势结合起来，实现了“1+1>2”的成效，有效地提升了镓电积过程中的电流效率。此外，脉冲-旋流电积技术在湿法冶金领域具有较强的普适性，有望推广应用至其它析出电位较负金属的回收。

该项工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金的经费支持，还得到了中南大学高等研究中心在分析检测方面提供的帮助。

中南大学郭学益教授、田庆华教授团队长期从事旋流电积方面研究，早在2009年就率先开展了相关研究工作，发表了系列学术论文和授权了相关发明专利，为铜、镍、钴、碲、铟等有色金属的清洁高效提取做出了大量工作。

（一审：刘左伟，二审：许志鹏，三审：田庆华）