在钕铁硼废料的资源化利用研究中，如何在提取稀土元素后高效处理铁尾渣、实现铁资源的高值化利用，一直是亟待解决的难题。而如何在简化流程、减少试剂消耗的同时，将铁尾渣中的铁直接转化为高纯磷酸铁，更是一项极具挑战性的科学命题。近日，赣南实验室廖春发教授、刘付朋教授团队在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上发表了一项突破性研究。创新性地以磷酸同时作为浸出剂和磷源，将提稀土后的铁尾渣一步转化为高纯FePO₄·2H₂O，并以此制备出电化学性能优异的磷酸铁锂电池。

作者信息

陈飞雄，江西理工大学/赣南实验室（博士研究生）

刘付朋，江西理工大学/赣南实验室

廖春发，江西理工大学/赣南实验室

蒋 涛，江西理工大学/赣南实验室

张 涛，江西理工大学/赣南实验室（博士研究生）

王 杰，江西理工大学/赣南实验室（博士研究生）

周 迅，江西理工大学/赣南实验室（博士研究生）

论文全文：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6c02651

1. 背景介绍

钕铁硼磁体自20世纪80年代问世以来，凭借其卓越的磁性能在现代工业中占据不可替代的地位。然而，随着生产加工及产品生命周期终结，大量废弃磁体不断累积，仅中国每年产生的废料就超过3万吨。目前，钕铁硼废料回收研究主要集中于稀土的提取，已开发出火法、湿法及焙烧-水浸等多种工艺。但对稀土提取后产生的大量富铁尾渣缺乏有效处置途径，主要被简单堆存或混入钢铁冶炼，造成铁资源浪费和环境压力。

磷酸铁作为磷酸铁锂电池正极材料的关键前驱体，市场需求随新能源产业扩张而急剧增长。传统磷酸铁生产工艺存在原料成本高、引入杂质离子、废水处理困难等瓶颈。相较于其他含铁废料，钕铁硼铁尾渣杂质种类少、含量低、物相单一，且可与前端稀土回收工艺无缝衔接，是制备高纯磷酸铁的理想原料。

基于此，本研究在前期工作基础上，创新性地以磷酸同时作为浸出剂和磷源，从铁尾渣中一步法直接合成高纯二水磷酸铁。无需调节pH或添加任何额外试剂，从根本上避免了外源杂质引入，并与稀土回收工艺耦合，形成"微量元素-稀土-铁"的全组分闭环回收体系。

2. 文章亮点

对Fe₂O₃-H₃PO₄体系进行了系统的热力学分析，从理论上揭示了磷酸铁的相变形成机制。研究发现，磷酸作为中强三元酸，在水中分步解离产生H₃PO₄、H₂PO₄^-和PO₄^3-。在pH＜4.0的酸性体系中，Fe³⁺优先与H₃PO₄和H₂PO₄^-络合形成FeH₂PO₄²⁺和FeHPO₄⁺两种配合物，随后这些配合物进一步转化为FePO₄·2H₂O沉淀。实验验证进一步确认反应分为两个阶段：初期以Fe₂O₃溶解为主，铁浓度快速上升，而FeH₂PO₄²⁺配合物的形成与FePO₄·2H₂O的沉淀可以同时发生，从而加速了整体反应的正向进行。后期以FePO₄·2H₂O沉淀为主导，铁浓度下降趋于平缓。特别值得注意的是，当pH超过3.5时杂质Co会以Co₃(PO₄)₂形式沉淀，而FePO₄·2H₂O在pH=1.0时即开始析出，两者沉淀pH存在显著差异，控制反应过程pH低于3.5即可实现铁的选择性沉淀，确保产物高纯度。

图1(a)不同pH值下H₃PO₄的电离，P-Fe-H₂O体系中(b)铁离子和(c)磷酸铁的形态分布。(d)P-Fe-H₂O体系的E–pH图(25℃)。

图2不同反应时间下溶液中的铁离子浓度（a）和pH值（b）变化

在优化条件下（磷酸浓度3 mol/L、反应温度95 ℃、反应时间180 min、液固比10），所得二水磷酸铁的磷含量为16.63%、铁含量为29.55%，P/Fe摩尔比为1.01，产品纯度高达99.97%。杂质元素含量极低（Mn 0.0084%、Cu 0.0024%、Al 0.019%、Ca 0.0032%、Nd < 0.001%），满足电池级磷酸铁工业标准（HG/T 4701-2021）。所得产物为单斜晶系P2₁/n空间群的β-FePO₄·2H₂O，晶体结构规整。SEM形貌观察显示产物呈由薄板堆叠而成的花状团簇结构，颗粒尺寸均匀，有利于后续锂离子电池正极材料的制备。残余滤液成分简单（Fe 0.17 g/L、P 11.02 g/L、Co 157.3 mg/L，其他杂质均低于50 mg/L），便于后续处理及钴的进一步回收。

图2不同因素对FePO₄·2H₂O中磷和铁含量以及P/Fe摩尔比的影响：(a)温度；(b)磷酸浓度；(c)时间；(d)液固比。

图3不同时间下磷酸铁的XRD图。

图4在优化条件下制备的FePO₄·2H₂O的SEM图像（a）和EDS分析结果（b）

TG-DSC热分析表明，二水磷酸铁在183.6℃处出现尖锐吸热峰，对应结晶水脱除，失重约19.15%，与理论值（19.28%）高度吻合。不同煅烧温度下的XRD结果显示：300–500℃范围内，脱水后的FePO₄仍保持单斜结构（P2₁/n空间群），形貌基本不变；550℃时开始向α-石英相（P3₁21空间群）转变；600℃时完全转变为纯α-石英相，D₅₀由13.2 μm增至14.5 μm；650℃则出现过度烧结，片状团簇严重熔并为大块晶体。因此，600℃被确定为最优煅烧温度，既完成了晶型转变，又避免了过度烧结导致的颗粒粗化。

图5FePO₄·2H₂O的TG-DSC分析

图6 在不同温度下煅烧的FePO₄的XRD图谱。

以600℃煅烧所得无水FePO₄为前驱体合成的LFP/C正极材料，在0.1 C倍率下首次放电比容量达到144.8 mAh/g，首次库仑效率高达96.73%，充放电平台位于约3.4 V。倍率性能测试显示，材料在0.1 C、0.2 C、0.5 C、1 C、2 C、5 C下的放电容量分别为145.7、148.3、147.0、142.5、134.3和109.5 mAh/g，经历不同倍率循环后恢复至0.1 C时容量仍达145.4 mAh/g。在1 C倍率下经过150次循环后，容量保持率仍高达98.47%，展现出卓越的长期循环稳定性。这些性能指标充分验证了本研究制备的磷酸铁完全满足高性能锂离子电池正极材料的应用要求。

图7磷酸铁锂的XRD图谱。

图8无水FePO₄合成的LFP/C的电化学性能：(a)-(b) LFP/C在0.1 C倍率下的初始充放电曲线，(c) LFP/C的倍率性能，(d) LFP/C的循环性能。

3. 总结与展望

本研究开发了一种从钕铁硼废料铁尾矿中制备磷酸铁的短流程工艺。该工艺采用一步法直接合成磷酸铁，无需额外提纯步骤。系统揭示了Fe₂O₃-H₃PO₄体系中FePO₄·2H₂O沉淀的反应机理，优化了关键工艺参数，并明确了其对产物纯度与物相的影响规律。在优化条件下，所得磷酸铁的铁含量为16.63%、磷含量为29.55%，P/Fe摩尔比为1.01，纯度达99.97%。以FePO₄为前驱体制备的LFP/C正极材料表现出稳定的电化学性能：在0.1 C倍率下放电比容量为144.8 mAh/g，初始库仑效率为96.79%，经150次循环后容量保持率为98.47%。

尽管该研究在实验室规模下验证了工艺可行性，但未来仍需在工业化放大试验、长周期运行稳定性以及残留溶液中钴等有价金属的协同回收等方面进一步深入研究。此外，通过反应条件的精细调控来优化磷酸铁产品的形貌和粒径分布，从而进一步提升磷酸铁锂正极材料的电化学性能，也是后续研究的重要方向。该技术的推广有望推动钕铁硼废料回收行业向高附加值、全元素利用的绿色模式转型。

期刊信息

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》由美国化学会（ACS）出版，2025年影响因子为8.4，属于绿色化学与可持续化工领域的国际顶级期刊，中科院分区为化学大类1区Top期刊。该刊聚焦于绿色化学、资源高效利用、废弃物循环再造及清洁生产工艺等前沿方向，在学术界和工业界具有广泛的影响力与引领作用。

作者信息：

廖春发

廖春发，现任先进金属材料与关键矿产开发江西省实验室（赣南实验室）副主任，兼任中国稀土学会常务理事，中国有色金属学会稀有金属冶金学术委员会副主任委员，中国有色金属学会重有色金属冶金学术委员会副主任委员等；国家百千万人才工程入选者暨有突出贡献的中青年专家，国务院政府特殊津贴获得者，全国优秀科技工作者，全国优秀教师，宝钢优秀教师，江西省“赣鄱555”领军人才，江西省重点学科带头人，第三届江西省高校教学名师。主持国家级项目12项，其中国家重点基金2项、面上基金3项、重点研发专项课题2项；各类校企合作项目30余项；获得省部级科学技术奖励7项，其中江西省科技进步一等奖4项，中国有色金属协会一等奖2项，中国稀土协会二等奖1项；发表学术论文280余篇，其中SCI/EI论文130余篇；授权国家发明专利90余项。

刘付朋

刘付朋，教授，博士生导师。江西省杰出青年基金、江西省主要学科学术和技术带头人培养计划入选者，中国稀土学会可再生利用专委会委员、中国有色金属学会重有色金属冶金学术委员会委员。

先后主持承担江西省杰出青年基金、江西省主要学科学术和技术带头人培养计划、赣鄱英才计划、山东省博士后创新人才支持计划（仅10人）等4项高水平人才项目，彰显了在相关研究领域的学术潜力与行业认可度。在科研项目承担方面，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等国家级/省部级科研项目12项，在芬兰阿尔托大学从事2年博士后科研工作，主持及参与国际项目5项，同时与宝武钢铁、中金岭南、豫光金铅、江西铜业等7家行业领军企业建立深度合作关系，签订校企协同创新项目8项，合同经费累计超1000万元，形成了基础研究与产业应用相互促进的科研格局。

学术成果产出丰硕，在国际知名学术期刊发表SCI论文60余篇，出版学术专著3部；授权国家发明专利15件，已有2项实现成果转化，为行业技术进步提供了重要支撑。科研贡献获国内外广泛认可，曾获中国有色金属工业科学技术二等奖、芬兰阿尔托大学“最具价值科研成果奖”等重要奖项。在2023年、2025年分别入选美国斯坦福大学与爱思唯尔（Elsevier）联合发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists），学术影响力显著。