DOI：10.1016/j.resconrec.2026.108822

通訊作者：余嘉棟

第一作者：汪嵐玢

通訊單位：清華大學(xué)

全文概述

本研究提出了一種機械化學(xué)活化-碳熱沖擊協(xié)同策略，用于廢棄晶硅光伏組件的全組分高值化回收。通過球磨活化破壞Ag-Si界面與玻璃夾層，顯著提升Ag和Al的浸出效率并降低酸耗；隨后利用瞬時焦耳熱沖擊技術(shù)將浸出后的硅渣快速轉(zhuǎn)化為高純度、高結(jié)晶度的碳化硅，具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能。該工藝實現(xiàn)了資源回收率提升、環(huán)境影響降低與經(jīng)濟成本優(yōu)化，為光伏組件閉環(huán)回收提供了可行路徑。

文章亮點

（1）全組分高值回收：同時實現(xiàn)Ag、Al高效浸出與SiC合成，實現(xiàn)資源最大化利用。

（2）協(xié)同工藝創(chuàng)新：機械化學(xué)活化降低浸出活化能，碳熱沖擊突破SiO?還原動力學(xué)限制。

（3）綠色低碳高效：酸耗降低24.56%，環(huán)境影響降低88.19%，成本降低近90%。

（4）產(chǎn)品性能優(yōu)異：合成SiC具有高導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性及半導(dǎo)體特性，適用于高溫電子與熱管理領(lǐng)域。

（5）工藝經(jīng)濟可行：設(shè)備投資低，適合規(guī)?；茝V，推動光伏回收從“資源消耗型”向“化學(xué)-能量管理型”轉(zhuǎn)變。

圖文解析

圖1：退役光伏組件金屬回收與硅高值化流程圖

展示從組件拆解、熱解、球磨活化、酸浸出到碳熱沖擊合成SiC全流程，直觀呈現(xiàn)工藝路徑。

圖2：機械化學(xué)活化對浸出行為的影響

圖（a）隨著球磨轉(zhuǎn)速增加，Ag和Al浸出效率大幅攀升，400 rpm后效率趨于飽和增速減緩。圖（b-c）溫度/時間對浸出率的影響，溫度和時間的增加均有利于提高浸出率，但存在飽和效應(yīng)。圖（d）球墨前后浸出活化能變化結(jié)果顯示，機械活化使Ag和Al的表觀活化能分別降低47.37%和27.76%，提高了反應(yīng)效率。圖（e-g）結(jié)果顯示，球磨后顆粒尺寸細化、表面接觸角降低、比表面積提升96.69%，為浸出試劑滲透提供通道。圖（h-i）物相與化學(xué)態(tài)變化顯示，XRD中Si特征峰出現(xiàn)且寬化，XPS檢測到Si-Si信號，證明Ag剝離、SiO?鈍化層破壞，暴露高活性Si表面。

圖3：球磨前后微觀結(jié)構(gòu)與元素分布對比

圖（a-b）結(jié)果顯示，未球磨表面平整，Ag與Si基底形成致密結(jié)合界面，Ag、Si、Al元素分布集中。圖（c-e）結(jié)果顯示，球磨后結(jié)構(gòu)疏松，Ag納米顆粒分散，Si基底出現(xiàn)裂紋與孔道，Si基底出現(xiàn)晶格畸變。圖（f）元素分布顯示，活化后Ag均勻分散于樣品中，打破原有區(qū)域限制，提升與浸出試劑的接觸效率。圖（g）活化機理示意圖展示了機械化學(xué)激活如何破壞Ag-Si界面和玻璃夾層，提高浸出效率。

圖4：碳熱沖擊合成SiC的相結(jié)構(gòu)與微觀表征

圖（a）CTS升溫曲線顯示，200 A電流下2秒內(nèi)升至2000℃，升溫速率是傳統(tǒng)管式爐的3000-12000倍，實現(xiàn)超快速加熱。圖（b-d）結(jié)果顯示，2000℃時XRD中Si特征峰消失、SiC特征峰尖銳，Raman光譜中SiC峰強化且無Si峰，XPS檢測到Si-C鍵，證明Si完全轉(zhuǎn)化為SiC。圖（e）熱力學(xué)分析顯示，2000℃時SiO?與C反應(yīng)的吉布斯自由能為負，反應(yīng)自發(fā)進行。圖（f-i）微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，SiC呈納米片狀，為多晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度優(yōu)異。

圖5：合成SiC的熱學(xué)與電學(xué)性能隨溫度變化

圖（a）TG-DSC曲線結(jié)果顯示，SiC在1000°C以下質(zhì)量變化極小，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。圖（b）原位XRD顯示，25-1000℃內(nèi)SiC特征峰穩(wěn)定，無峰移或雜質(zhì)相，證實結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性。圖（c）熱導(dǎo)率室溫下約160 W m?1 K?1，隨溫度升高逐漸降低，優(yōu)于現(xiàn)有報道的SiC材料。圖（d）動態(tài)力學(xué)分析顯示，SiC在25°C至400°C之間表現(xiàn)出高剛性和低能量耗散。圖（e）壓力與電阻率結(jié)果顯示，SiC電阻率隨壓力增加逐漸降低，表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。圖（f）載流子濃度隨溫度升高而增加，遷移率顯著下降，呈典型半導(dǎo)體行為。

圖6：生命周期評估與經(jīng)濟分析

圖（a-b）回收生命周期的系統(tǒng)邊界，明確本研究與傳統(tǒng)工藝的回收流程邊界，涵蓋原料處理、反應(yīng)、產(chǎn)物分離等環(huán)節(jié)。圖（c-d）環(huán)境影響對比結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)濕法冶金相比，本工藝在資源、健康、生態(tài)系統(tǒng)方面提升顯著。圖（e）主要環(huán)境影響類別的貢獻分析，傳統(tǒng)工藝的環(huán)境負擔(dān)主要來自電力和硝酸消耗，本工藝通過試劑減量和高效加熱降低核心污染來源。圖（f）材料成本對比顯示，本工藝材料處理成本僅為傳統(tǒng)工藝的1/12左右，經(jīng)濟優(yōu)勢顯著，為工業(yè)化應(yīng)用提供支撐。

作者簡介

李金惠，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院長聘教授、長江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師；清華大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟與城市礦產(chǎn)研究團隊首席科學(xué)家；聯(lián)合國環(huán)境署巴塞爾公約亞太區(qū)域中心執(zhí)行主任。長期擔(dān)任中國政府關(guān)于化學(xué)品、廢物和再生資源國際公約和平臺的談判專家，同時擔(dān)任中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會循環(huán)經(jīng)濟分會主任、中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會城市資源循環(huán)利用專業(yè)委員會專家委員會主任、中國管理科學(xué)學(xué)會環(huán)境管理專業(yè)委員會主任、聯(lián)合國大學(xué)解決電子廢物問題倡議（StEP）指導(dǎo)委員會委員等多項學(xué)術(shù)職務(wù)。主要從事全球環(huán)境治理、循環(huán)經(jīng)濟與城市礦產(chǎn)、固體廢物和化學(xué)品管理政策、電子廢物資源化技術(shù)等研究。負責(zé)多項國家級課題和項目；擔(dān)任Circular Economy期刊主編、環(huán)境工程學(xué)報、Frontiers of Environmental Science & Engineering、Journal of Material Cycles and Waste Management等期刊編委。曾獲得2016年國家科技進步二等獎（排名1）、2022年中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會科技進步獎一等獎（排名第1）、2016年中日韓三國環(huán)境部長會議環(huán)境獎、2016年環(huán)境保護部“國家環(huán)境保護專業(yè)技術(shù)領(lǐng)軍人才”等國家、省部級獎勵及個人獎勵。

本文使用的焦耳加熱裝置是由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

        焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。