这位麻省理工学院的冶金学家能否改善铜的生产？

快进到21世纪，伏特的核心元素之一——铜，已经远远超越了证明“青蛙假说”的意义。

这种红色的金属，也是世界上最古老的金属之一，自镀金时代以来一直是我们将灯泡点亮的支撑。在导电性方面，它仅次于银，优于所有其他元素。然而，与银不同的是，它非常耐用——没有它，就没有电气化。例如，一台新的海上风力涡轮机需要21,000磅铜。同时，每辆电池供电的汽车要使用183磅铜，相当于整整一英里的铜线。（汽油动力汽车最多使用49磅。）据金属市场情报公司CRU称，仅电动汽车的年需求量到2030年将达到360万吨。

“它是脱碳的关键金属之一，”国际铜业协会欧洲分会首席执行官Bernard Respaut说，该协会是非营利性全球铜行业倡导者。“我们越电气化，就需要越多的铜。”

然而，获取更多铜会带来环境上的困境。每年生产的2270万吨铜中，大部分都需要焙烧矿石来提炼金属。这种称为“火法冶金”的高温工艺在全球120多个冶炼厂进行，包括美国的三个。然而，每冶炼一吨铜就会排放2吨碳。虽然我们需要更多的铜，但据美国能源安全领导委员会（一个旨在减少美国石油依赖的华盛顿特区团体）称，在美国这个越来越注重气候的国家，不太可能有新的冶炼厂投入使用。“行业认识到，我们需要实现铜生产过程的脱碳，”Respaut补充说。

这个困境引起了麻省理工学院冶金学家兼教授Antoine Allanore的注意。Allanore是致力于净化金属生产的新一代发明家之一。他专注于在不燃烧煤炭或天然气等化石燃料的情况下从岩石中提取材料。2022年2月，他完成了由美国能源部资助的最新项目：一个采用电解工艺的反应堆，该工艺利用电流将铜从矿石中分离出来。本质上，伏特利用铜传输电流，而Allanore的系统则利用电流来制造铜。

据国际铜业协会技术开发与转让部门2020年退休的总监Hal Stillman称，Allanore的发明是一项“重大进展”，也是一项科学突破。“这是前所未有的，电解精炼铜，”他说。

目前，Allanore的设备每24小时只能生产一到两磅铜，但这只是一个原理的演示。与此同时，行业也在采用其他方法提炼某些矿石，而无需产生冶炼的排放。要取得成功，Allanore必须说服生产商，他的技术更清洁、更高效。他的下一步是什么？一个每天能生产一吨该元素的反应堆版本。“金属生产的电气化是开创性的，”他说。“它不仅能让我们避免使用某些燃料和碳排放，还为提高生产力打开了大门。”如果世界要走向绿色，金属生产也可以。

在整个金属制造领域，将电力作为照明设备以外的用途，已经越来越受到重视。这是Allanore熟悉的领域：他曾在一家主要的全球钢铁制造商ArcelorMittal担任了近五年的研究工程师。在那里，他帮助设计和建造了世界上最大的使用电积法精炼铁的反应堆，这种技术利用电流将悬浮在电解液中的金属分离出来。ArcelorMittal正在建造一个试点工厂来实践它。

与铜一样，钢也起源于岩石。具体来说，是铁矿石，它由紧密结合的铁原子和氧原子组成。火法冶金用于打破这些键，这是炼钢的第一步。巨大的高炉燃烧焦炭（一种加工过的煤）至3000华氏度，在这个温度下，加热后的矿石中的铁会释放出对氧的束缚。二氧化碳是主要副产品。全球每年生产20亿吨钢，但排放超过30亿吨CO2，约占地球总温室气体排放量的9%，这与联合国政府间气候变化专门委员会设定的目标直接冲突。

2008年离开ArcelorMittal后，Allanore在法国国家科学研究中心休假，然后于2010年加入麻省理工学院，继续他关于“电炼钢”的研究。2012年，他与人共同创立了Boston Metal公司，该公司是从麻省理工学院衍生出来的，该公司利用电流代替焦炭来熔化铁矿石。他的同事兼联合创始人Donald Sadoway是一位麻省理工学院的材料工程师，他对金属电解的研究可以追溯到20世纪80年代。“这是未来，”Sadoway说。“如果你想实现零排放，就必须重新设计所有这些重工业、化学密集型、能源密集型、排放密集型的工艺。”

铜无疑符合这一点。超过三分之二的铜通过火法冶金加工，而火法冶金最常由天然气和煤炭提供动力。根据国际能源署的数据，一台典型的冶炼炉生产1吨铜大约消耗3830千瓦时的能源（这大约是美国普通家庭四个月的用电量），每年产能可达50万吨。但这种红色的金属也带来了挑战。与最终产品中含有碳的钢不同，铜必须几乎不含任何杂质才能像现代生活所要求的那样传输电流。Allanore指出，它的导电性与其纯度成正比。例如，智能手机中的电线纯度为99.9%。开采出的铜的纯度远不及此。

刚从地下挖出来的矿石包含多种元素，其中最主要的是硫，铜在岩石中与之直接结合。在这个阶段，原材料的铜含量通常不到1%。在送往冶炼厂之前，矿业公司将其粉碎成类似沙子的颗粒，然后将它们倒入液体泡沫中，开始去除铅和锌等痕量元素。剩下的称为铜精矿，纯度只有25%左右。

精矿被送到冶炼厂，在那里进行焙烧，使用天然气产生高达2300°F的温度。这种高温会产生两种东西：炉渣，一种含有铁、硅和其他矿物质的废物；以及铜锍（液态铜），其中仍然含有一些铁和硫化物，纯度为60%。液态铜锍被运往另一个温度相似的炉子——称为转炉——在那里吹入的氧气会与硫原子结合，生成二氧化硫。（冶炼厂会捕获大部分排放的二氧化硫，并将其制成过程后期所需的硫酸。）该装置会产出阳极铜，纯度可达98%。

传统的生产方式确实在最后阶段使用电力来锻造金属：阳极铜被浇注成模具，然后放入部分由捕获的硫酸组成的电解液中。接下来发生的反应类似于电池内部的机制。冷却并成型的阳极铜板充当阳极（电池单元中释放电子的部分），而纯铜薄片则充当阴极（接收电子的部分）。当施加电流时，只有带正电的铜离子会从阳极迁移到阴极。任何剩余的金属，如铁或铅，会从阳极脱落并沉到底部，留下近乎100%纯的铜阴极。

早在2013年，Allanore就开始思考是否可以用电力而不是天然气来提炼铜。“这是人类一直在探索的最重要的金属，所以它很重要，”他说。

他当年提出的电解法用一个步骤取代了传统冶炼的所有步骤，这个步骤既能将铜与硫分离，又能去除可能占矿石一半的铁。纸面上看，这个计划很简单：基本概念与Boston Metal公司利用电流熔化铁矿石（冷却后形成钢块）的方法没有太大区别。

2018年，美国能源部能源效率和可再生能源办公室给了Allanore190万美元的资助来实现这一目标。“能源部理解了电气化程度提高、能耗降低，但同时又对金属需求增加之间的联系，”他回忆道。

在Allanore位于麻省理工学院的实验室里，铜提炼装置位于一个类似老式电话亭大小的设备内。一个带有阴极和阳极的陶瓷罐，底部有阴极，顶部有阳极，里面装有大约两磅铜精矿和一个电解液混合物，其中一部分是硫化镧，一种化学反应性强的元素，善于与铜矿石中的痕量矿物质形成化合物。

然后将罐子放入一个小型的燃气炉中，温度达到约2372°F。当铜精矿加热并液化时，电流会流过阴极。在几分钟内，铜开始沉淀到阴极，而硫原子则向上迁移到阳极。落下的金属冷却后成为纯铜，可用于制造电线；产生的硫是惰性的元素硫，而不是有毒的二氧化硫。该过程仍需要能量来产生极端温度，但只需一次加热就能产生纯铜。

据国际铜业协会的资深人士Stillman称，Allanore使用镧是一种独特的科学见解。“在他的添加镧的步骤之前，你无法使用电解反应来分离铜，”Stillman说，他现在是 Argonne国家实验室附近一个研究金属供应链的研究小组的高级顾问。“这创造了一种情况，可以将铜离子与其他材料分离。”

Allanore的实验室表明，电解法还可以提取镍、钴和锰——这三种矿物对锂离子电池至关重要。但铜是王者。能源安全领导委员会建议，未来25年，仅为满足电动汽车的需求，我们就需要生产过去5000年所生产的同等量的铜。这还不包括它们的充电站，它们也需要电线。

Stillman承认，将这项技术放大到持续生产每天1吨铜（更不用说更多）是一个巨大的障碍——需要多步骤来克服。首先，Allanore需要资金来建造足够大的试点反应堆。他必须找到一家与矿业公司有联系的工程承包商来制造工业规模的反应堆。然后，他必须证明，在那个规模上，使用他的反应堆比传统的冶炼过程更经济。

“总是存在谁来资助的问题，”Stillman说。“然而，有许多铜矿商对这种技术及其环境效益感兴趣。”

与此同时，国际铜业协会的Respaut估计，全球约20%的产量已经来自采用水法冶金工艺的矿山。在这种工艺中，水基试剂在常温下将铜从矿石中溶解出来，制成液态金属，然后可以通过类似于冶炼厂最后一步的方法进行提炼。

然而，水法冶金只适用于氧化铜矿，而氧化铜矿的储量不如硫化铜矿丰富，而Allanore的反应堆可以处理硫化铜矿，从而绕开传统冶炼厂。此外，水法冶金过程仍需要多个步骤才能生产出纯铜。当Allanore谈论基于电流的金属加工的好处时，他的意思是，他可以在一步操作中获得纯净的液态铜，可用于制造电子产品和电池动力汽车的电线。

尽管如此，他的反应堆只是一个演示设备，只能生产几磅铜。Allanore希望今年将其展示给几家公司，以证明高质量、更快、更可持续的生产是怎样的。之后，他希望再进行一轮测试，最好能与冶炼厂或矿山合作，看看一个更大的反应堆是否能可靠地每天生产1吨铜。