西安交大研究人员在低成本高纯镁制备领域取得重要进展

　　近日，西安交通大学材料科学与工程学院单智伟教授团队在国际高水平学术期刊《自然·材料》(Nature Materials)发表题为《超低成本去除原镁中铝杂质》(Removing aluminium impurities in primary magnesium at an ultra-low cost)的研究论文，提出了一种全新的镁纯化策略，在工业条件下实现了铝杂质的高效、低成本去除，为低铝高纯镁的大规模制备提供了关键技术突破。

　　镁是重要的战略金属，在交通轻量化、高端战略金属还原及生物医用等领域具有广泛应用前景。当前全球约80%的原镁依赖硅热法生产，该工艺虽具成本和规模化优势，但伴有杂质含量高、波动大的痼疾。其中，铝杂质尤为突出，其不仅含量普遍偏高，而且在工业生产中波动最为剧烈。研究数据显示，在实际生产过程中，铝含量可在21ppm至845ppm之间大幅变化，波动幅度超过32倍，跨越了五个纯度等级。这种不稳定性不仅严重制约了镁在电子级钛、核级锆、生物医用等高端领域中的应用，而且由于不同纯度品级之间差价显著，也直接降低了生产厂家的经济效益。但长期以来，铝杂质波动的顽疾却被视为一种该工艺的伴生物，很难治愈。

　　在对工业化数据进行分析的过程中，研究团队注意到：即便在波动特别大的单日生产数据中，少部分炉次的铝杂质含量却可以很低。考虑到单日工业生产条件，如原料，炉温，工人操作等相对稳定，降低铝杂质的配方很可能就隐藏在现有的工艺流程中。团队负责人单智伟比喻说，他们是受到了“天下至毒之物，七步之内必有解药”这一哲学思想的启发，最终找到了低成本除铝杂质的新方法。

　　为突破上述难题，研究团队对该杂质的产生，传递和沉积机理进行了全面的剖析。早在2023年，他们就发现，在硅热法过程中，铝主要以气态氟化铝形式存在，并在冷凝过程中与镁共同沉积，成为污染的根本来源(Yang, Shan et al., J. Magnes. Alloy, 2023)。类似于烧水会在水壶内壁结垢，在金属镁的工业生产中，还原罐的内壁也会结垢，在罐口附近尤为严重，工人每生产批次必须对罐口附近的结垢进行刮擦清理。这些垢的化学成分是什么?会不会隐藏着杂质去除的秘方?带着这些问题，团队利用先进的分析表征技术，对罐内壁的结垢进行了全面系统的分析，果真在其中发现了一种稳定的含铝化合物：Ca12Al14F2O32。结合此前的研究，团队推测氧化钙很可能对去除铝杂质有奇效。

　　博士生郑芮通过理论分析验证了上述想法，并很快在实验室搭建了实验装置，证明了使用氧化钙可将镁中铝含量从约109.5ppm降低至6.3ppm，杂质去除率超过90%。由于和原镁生产领域的龙头企业泰达煤化有着长期合作关系并共建有陕西省镁基新材料中试基地，研究团队通过网络会议将这一重要发现及时告知了合作伙伴，并指导对方进行了工业产线上的验证，结果同样令人振奋。后经过几轮迭代优化，采用更低成本、更易获取且可循环利用的炼镁原料——煅烧白云石(氧化钙和氧化镁的混合物)作为滤材，铝含量满足高纯镁(Mg9998)标准的产品比例由原先接近0%提升至83.3%，实现了从“偶然达到”到“稳定获得”的跨越。分析表明，该方法的纯化成本较主流真空蒸馏技术降低约96%，为低成本规模化制备低铝高纯镁提供了切实可行的路径，为向下游高端应用提供稳定、优质且经济的原材料奠定了技术基础。此外，该“沉积物启发”的滤材筛选策略还可进一步拓展至镁中其他杂质的调控。在专利被授权之前，该技术已经在工业产线上得到推广应用，并产生了显著的经济和社会效益。团队负责人单智伟指出，“如果研究对象本身就是企业面临的技术难题，一旦突破，成果很快就能落地并产生效益，根本就不会有成果转化难的问题”。

　　西安交大单智伟教授为论文通讯作者，博士生郑芮为第一作者。参与该工作的还有西安交通大学杨博助理教授、王悦存教授、刘博宇教授和硕士生杨唯一。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年学生基础研究项目、陕西省重点研发计划高校联合项目、陕西省科技厅创新能力支撑计划等支持，并得到西安交通大学人文学院朱晓文教授、材料学院章效锋教授，以及材料学院工程师程晓华、范传伟、张莹洁，研究生郝旭邦、王泽坤、王安、马英子等人的支持与帮助，同时得到府谷县泰达煤化杨永亮、王卫峰、高志军、逯明辉，以及国科镁业王鹏飞等相关企业负责人和技术人员在产业化过程中的支持。

　　十余年来，单智伟教授研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度全国重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心开展了一系列基础研究、技术攻关和成果转化。在基础研究方面，团队长期聚焦金属材料变形机制与性能调控这一核心科学问题。2014年，在单晶镁中发现金属区别于传统位错和孪晶之外的第三种室温变形机制(Nat. Commun., 2014)，并荣获美国TMS学会镁分会年度“最佳基础研究论文奖”;揭示了析出相形貌对孪晶行为的调控规律，建立了新的镁合金强塑性判据(J. Mater. Sci. Technol., 2018, 封面推荐);提出通过活化二氧化碳，在室温条件下构建致密保护膜层，实现镁及其合金抗腐蚀性与抗氧化性能的协同显著提升，发展了绿色低成本镁合金涂层新技术(Nat. Commun., 2018);打破长期以来“纯镁塑性差”的普遍认识，发现高纯净的镁不仅可以承载很大的塑性变形，且其变形机制也与此前领域内的主流观点迥异(Science, 2019; Nat. Commun., 2022)。在此基础上，针对产业现状中镁纯化技术成本高昂，难以大面积推广的难题，提出“基于气态原子选择性分离”的新型金属镁纯化思路，发明了一系列具有自主知识产权的新技术，成功制备出公开报道检测元素最全的最高纯度镁，进一步研发了“梯度冷凝，吸附过滤”等系列技术及配套装备，建成国内首条3N5A级高品质镁示范线，将企业高品质镁达 标率由之前的不到1%提高到90%以上，并实现万吨产能推广，成果应用新增总产值已超过23亿元。基于所研制的高品质(性能优异且稳定)镁产品，创制了全球首辆镁合金氢能驱动重载卡车，单车用镁量超800公斤，相比原钢质方案综合减重超1吨/辆，成果进展两次被央视报道，目前安全营运里程超过10万公里。