应用成果

DOI：10.1016/j.resconrec.2026.108822

通讯作者：余嘉栋

第一作者：汪岚玢

通讯单位：清华大学

全文概述

本研究提出了一种机械化学活化-碳热冲击协同策略，用于废弃晶硅光伏组件的全组分高值化回收。通过球磨活化破坏Ag-Si界面与玻璃夹层，显著提升Ag和Al的浸出效率并降低酸耗；随后利用瞬时焦耳热冲击技术将浸出后的硅渣快速转化为高纯度、高结晶度的碳化硅，具备优异的热稳定性和半导体性能。该工艺实现了资源回收率提升、环境影响降低与经济成本优化，为光伏组件闭环回收提供了可行路径。

文章亮点

（1）全组分高值回收：同时实现Ag、Al高效浸出与SiC合成，实现资源最大化利用。

（2）协同工艺创新：机械化学活化降低浸出活化能，碳热冲击突破SiO₂还原动力学限制。

（3）绿色低碳高效：酸耗降低24.56%，环境影响降低88.19%，成本降低近90%。

（4）产品性能优异：合成SiC具有高导热性、热稳定性及半导体特性，适用于高温电子与热管理领域。

（5）工艺经济可行：设备投资低，适合规模化推广，推动光伏回收从“资源消耗型”向“化学-能量管理型”转变。

图文解析

图1：退役光伏组件金属回收与硅高值化流程图

展示从组件拆解、热解、球磨活化、酸浸出到碳热冲击合成SiC全流程，直观呈现工艺路径。

图2：机械化学活化对浸出行为的影响

图（a）随着球磨转速增加，Ag和Al浸出效率大幅攀升，400 rpm后效率趋于饱和增速减缓。图（b-c）温度/时间对浸出率的影响，温度和时间的增加均有利于提高浸出率，但存在饱和效应。图（d）球墨前后浸出活化能变化结果显示，机械活化使Ag和Al的表观活化能分别降低47.37%和27.76%，提高了反应效率。图（e-g）结果显示，球磨后颗粒尺寸细化、表面接触角降低、比表面积提升96.69%，为浸出试剂渗透提供通道。图（h-i）物相与化学态变化显示，XRD中Si特征峰出现且宽化，XPS检测到Si-Si信号，证明Ag剥离、SiO₂钝化层破坏，暴露高活性Si表面。

图3：球磨前后微观结构与元素分布对比

图（a-b）结果显示，未球磨表面平整，Ag与Si基底形成致密结合界面，Ag、Si、Al元素分布集中。图（c-e）结果显示，球磨后结构疏松，Ag纳米颗粒分散，Si基底出现裂纹与孔道，Si基底出现晶格畸变。图（f）元素分布显示，活化后Ag均匀分散于样品中，打破原有区域限制，提升与浸出试剂的接触效率。图（g）活化机理示意图展示了机械化学激活如何破坏Ag-Si界面和玻璃夹层，提高浸出效率。

图4：碳热冲击合成SiC的相结构与微观表征

图（a）CTS升温曲线显示，200 A电流下2秒内升至2000℃，升温速率是传统管式炉的3000-12000倍，实现超快速加热。图（b-d）结果显示，2000℃时XRD中Si特征峰消失、SiC特征峰尖锐，Raman光谱中SiC峰强化且无Si峰，XPS检测到Si-C键，证明Si完全转化为SiC。图（e）热力学分析显示，2000℃时SiO₂与C反应的吉布斯自由能为负，反应自发进行。图（f-i）微观结构结果显示，SiC呈纳米片状，为多晶结构，结晶度优异。

图5：合成SiC的热学与电学性能随温度变化

图（a）TG-DSC曲线结果显示，SiC在1000°C以下质量变化极小，表现出优异的热稳定性。图（b）原位XRD显示，25-1000℃内SiC特征峰稳定，无峰移或杂质相，证实结构热稳定性。图（c）热导率室温下约160 W m⁻¹ K⁻¹，随温度升高逐渐降低，优于现有报道的SiC材料。图（d）动态力学分析显示，SiC在25°C至400°C之间表现出高刚性和低能量耗散。图（e）压力与电阻率结果显示，SiC电阻率随压力增加逐渐降低，表现出稳定的电性能。图（f）载流子浓度随温度升高而增加，迁移率显著下降，呈典型半导体行为。

图6：生命周期评估与经济分析

图（a-b）回收生命周期的系统边界，明确本研究与传统工艺的回收流程边界，涵盖原料处理、反应、产物分离等环节。图（c-d）环境影响对比结果显示，与传统湿法冶金相比，本工艺在资源、健康、生态系统方面提升显著。图（e）主要环境影响类别的贡献分析，传统工艺的环境负担主要来自电力和硝酸消耗，本工艺通过试剂减量和高效加热降低核心污染来源。图（f）材料成本对比显示，本工艺材料处理成本仅为传统工艺的1/12左右，经济优势显著，为工业化应用提供支撑。

作者简介

李金惠，清华大学环境学院长聘教授、长江学者特聘教授，博士生导师；清华大学循环经济与城市矿产研究团队首席科学家；联合国环境署巴塞尔公约亚太区域中心执行主任。长期担任中国政府关于化学品、废物和再生资源国际公约和平台的谈判专家，同时担任中国环境科学学会循环经济分会主任、中国循环经济协会城市资源循环利用专业委员会专家委员会主任、中国管理科学学会环境管理专业委员会主任、联合国大学解决电子废物问题倡议（StEP）指导委员会委员等多项学术职务。主要从事全球环境治理、循环经济与城市矿产、固体废物和化学品管理政策、电子废物资源化技术等研究。负责多项国家级课题和项目；担任Circular Economy期刊主编、环境工程学报、Frontiers of Environmental Science & Engineering、Journal of Material Cycles and Waste Management等期刊编委。曾获得2016年国家科技进步二等奖（排名1）、2022年中国循环经济协会科技进步奖一等奖（排名第1）、2016年中日韩三国环境部长会议环境奖、2016年环境保护部“国家环境保护专业技术领军人才”等国家、省部级奖励及个人奖励。

本文使用的焦耳加热装置是由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可！

        焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。