废旧电脑、电视等电子设备中，除了金、银、铜等有价金属，塑料外壳里也藏着另一种金属——锑。
锑常以三氧化二锑的形式，与溴系阻燃剂配合使用，降低电子设备的起火风险。但当设备报废后，这些添加剂反而给塑料回收带来了困难。传统高温处理不仅可能造成锑流失，还容易产生有毒含溴化合物，带来二次污染。
近日，美国莱斯大学团队在 Nature Chemical Engineering 发表研究，提出利用改进的闪速焦耳加热技术，在几秒钟内同时完成金属锑回收和塑料脱溴。
实验结果显示，该方法能够回收约 90% 的锑，所得锑的纯度超过 97%；同时，约 83% 的溴以溴化氢（HBr）的形式得到回收，有毒含溴有机物的生成量比传统缓慢加热减少了 34%-51%。
论文通讯作者包括莱斯大学化学、材料科学与纳米工程教授 James M. Tour。Tour 是美国国家工程院院士，长期从事纳米材料、石墨烯及材料回收等研究，也是多家科技公司的创始人。据公开介绍，他在过去十年创办了 17 家公司，其中三家上市。涵盖半导体存储技术开发、石墨烯量子点技术以及利用闪速焦耳加热进行金属回收等。
“我们最初并不是单纯为了回收锑，而是希望解决电子垃圾中的塑料处理问题。如果只是回收锑，其实没有那么困难。但如何在回收锑的同时，更加环保、可持续地处理这些废弃塑料，才是真正困难的地方。”这项研究的第一作者叶豪鑫告诉 DeepTech。他本科毕业于浙江工商大学食品科学专业，随后赴加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）攻读硕士，博士阶段转向材料化学。“Tour 教授睿智而包容，不拘泥于学生的背景，对每一位怀有科研热情的学生都敞开大门，也十分欢迎并支持中国留学生。”
图 | James M. Tour（来源：James M. Tour Group）
电子垃圾中的锑，为什么难以回收？
相比稀土、镓、锗等受到广泛关注的关键金属，锑的存在感似乎没有那么强，但它的实际用途与日常生活密切相关。
电脑电源外壳、电气连接器等电子产品部件通常需要满足一定的防火要求，因此生产商会在塑料中添加阻燃剂。其中一种常见方案，是将溴系阻燃剂与三氧化二锑配合使用。前者主要通过干扰燃烧过程中的化学反应来抑制火焰，后者则能够增强阻燃效果，因此被称为阻燃协效剂。据悉，全球约 39% 的锑被用于制造阻燃塑料。
与此同时，锑本身也是一种重要的关键矿产，应用领域包括阻燃材料、合金和半导体等。由于资源供应相对集中，从废弃产品中回收锑，也可能成为原生矿产开采之外的一条补充供应渠道。
然而，想从阻燃塑料中把锑重新提取出来，并不容易。
传统处理方法之一是热解，即通过高温使塑料中的有机成分分解，再从剩余物或其他产物中回收金属。但在加热过程中，锑可能以挥发性物质的形式进入气相，如果不能有效收集，就会造成金属损失。
另一个麻烦来自溴系阻燃剂。这类物质在受热分解时，可能形成多种含溴有机化合物，其中一些具有毒性，不仅增加废气处理的难度，也可能造成二次污染。如果改用强酸、有机溶剂等化学方法处理，又往往需要多个分离步骤，带来额外的成本和环境负担。
叶豪鑫介绍，过去几乎没有成熟的工业级工艺专门从电子垃圾塑料中回收锑。一个重要原因就是处理成本太高：既要解决含溴污染物的排放问题，又要尽可能提高锑的回收率，而锑本身的经济价值又不足以轻易覆盖这些成本。
最初，Tour 教授安排他开展的研究主要围绕锑回收展开。但在查阅文献的过程中，叶豪鑫逐渐发现，单纯从塑料中提取锑并不是最棘手的问题，如何避免回收过程中产生新的污染，才是技术真正面临的挑战。
他注意到，一些缺乏完善回收设施的地区仍然采用露天焚烧等方式处理电子垃圾。含溴阻燃塑料在这样的条件下被焚烧，可能释放有害有机物，锑也可能随气溶胶进入空气，带来环境风险。
因此，研究团队希望找到一种方法，能够在较短的处理过程中将锑提取出来，同时减少含溴污染物的产生。他们选择的技术，正是 Tour 团队此前已经研究多年的闪速焦耳加热（Flash Joule Heating，FJH）。
改进加热装置，几秒钟完成锑回收与脱溴
闪速焦耳加热的基本原理，是利用电流通过具有一定电阻的材料时产生的热量，在极短时间内实现快速升温。2020 年，Tour 团队曾在 Nature 发表研究，利用闪速焦耳加热将碳材料转化为石墨烯。此后，他们又将其应用于电子垃圾中的贵金属、稀土以及废旧电池材料回收。
不过，含溴阻燃塑料的处理更加复杂。研究人员不仅要将锑从塑料中提取出来，还需要控制塑料分解过程中发生的化学反应，减少有毒含溴有机物的生成。因此，单纯提高加热速度并不足够，还需要对温度分布和反应过程进行控制。
为此，团队开发了等温钳制闪速焦耳加热（Isothermal-clamped Flash Joule Heating，IC-FJH）技术，通过改进加热装置和加热程序，在数秒内形成温度相对均匀的高温反应区域。
叶豪鑫介绍，此次研究并没有改变闪速焦耳加热的基本原理，而是采用了一种类似“三明治”的夹层加热结构。研究人员将粉碎后的废弃阻燃塑料放在两层能够通电加热的碳纸之间，再通过电脉冲进行快速加热。
“如果只从一侧加热，在超快速升温的情况下，塑料样品容易出现受热不均的问题。”叶豪鑫解释，夹层结构可以让塑料样品更快、更均匀地达到设定温度。
除了装置改进，研究团队还尝试了不同的加热程序。叶豪鑫回忆，最初单纯回收锑并不算特别困难，但要同时控制含溴污染物，就需要进一步调整反应条件。经过多次实验，他们最终选择先超快速升温，再进行短时间高温保持的处理方式。
这两个阶段分别影响着塑料中溴和锑的化学变化。
首先，快速升温可以缩短塑料在容易产生部分有害含溴有机物的温度区间内停留的时间。实验显示，样品经过 200-500℃ 的过程仅需约 9.4 毫秒。相比传统缓慢加热，这种处理方式能够抑制部分含溴有机中间产物的挥发，减少有毒含溴有机物的生成。
图 | 不同加热速率下的锑回收性能（来源：Nat Chem Eng）
与此同时，高温反应条件能够促进氢辅助脱溴反应，使溴从有机分子中脱离，并更多地转化为溴化氢（HBr）。虽然溴化氢本身具有腐蚀性，但它可以通过氢氧化钠等物质吸收，转化为较为稳定的溴化物盐，便于后续处理或利用。
对于锑，研究团队则利用高温下的还原反应，将原本以氧化物形式存在的锑转化为金属态锑，再通过挥发、冷凝等过程进行收集。论文分析表明，受控的快速加热有利于锑以金属态形式回收，减少金属损失。
研究人员还利用材料表征、热传递模拟和理论计算，分析了不同加热条件下的塑料分解过程、溴在不同产物中的分布，以及锑的化学形态变化。这些结果为快速加热能够同时实现锑回收与脱溴提供了进一步解释。
在实际测试中，团队使用了三类不同来源的废弃阻燃材料，包括电源外壳、印刷电路板和电气连接器。结果显示，该技术能够回收约 90% 的锑，所得锑的纯度超过 97%；约 83% 的溴以 HBr 的形式得到回收，有毒含溴有机物的生成量比缓慢加热减少了 34%-51%。
叶豪鑫表示，这三类材料使用同一种方法都取得了较好的处理效果。不过，不同产品所用的阻燃剂和其他添加剂也存在差异。对于部分更难处理的材料，团队仍在继续优化工艺。
距离实际应用还有多远？
尽管实验室取得了较高的回收率，但一项电子垃圾回收技术能否真正进入工业生产，还需要考虑处理成本、环境影响以及规模化运行能力。
为此，叶豪鑫及团队在论文中开展了生命周期评估和技术经济分析。结果显示，与研究中比较的传统处理路线相比，IC-FJH 技术的资源消耗降低约 72%，气候变化影响降低约 65%，用水量降低约 80%。此外，多环芳烃（PAHs）的生成量减少了 100%。多环芳烃是一类可能在有机材料热分解过程中产生的化合物，其中部分具有致癌性。
经济性方面，叶豪鑫介绍，“我们做这件事不只是为了产生经济效益，更多是为了解决一个环境问题。”他说，如果能够在减少污染的同时回收有价值的金属，并获得一定的经济回报，就更有利于技术的推广。
目前，这项研究已开始与企业的技术转化工作衔接。2024 年，澳大利亚上市公司 Metallium（原 MTM Critical Metals）与莱斯大学签署闪速焦耳加热技术的商业许可协议。2026 年 4 月，该公司进一步扩大授权范围，将废塑料锑回收应用纳入其中。
据叶豪鑫介绍，目前实验室和企业都在推进相关技术的优化，企业已搭建相应的反应器装置，但较大规模下的处理效果尚未达到实验室水平。
其中，最大的挑战是传热问题。“如果处理的是公斤级样品，材料内部和外部的受热情况就可能不一样。接触加热平台的表面会先升温，但热量传递到内部需要一定时间。”
此外，论文中的部分实验需要达到 1700℃ 以上，这对工业设备的设计和运行提出了较高要求。因此，研究团队正在尝试降低反应温度，企业方面也在改进反应器的加热方式，以提高规模化处理的稳定性和效率。
从实验室验证到规模化生产，仍有不少工程问题需要解决。叶豪鑫表示，这也是材料化学研究成果转化的一大难点。与软件开发等领域相比，材料技术即使在实验室证明了可行性，后续仍需要大量设备和资金投入，才能逐步走向实际应用。
不过，Tour 团队一直十分重视科研成果的产业化。“我们团队与一些传统科研团队不太一样的地方，是非常重视研究成果的实际应用和产业化。”叶豪鑫介绍，受 Tour 创业经历的影响，团队在选择课题时就会考虑技术的应用前景，而不只是为了发表论文。“我们希望每个项目既有科学上的创新，也能够解决现实中的问题，具备未来走向工业应用的潜力。”
此次锑回收研究也延续了这一思路。接下来，团队将继续尝试降低处理温度、改善大规模加热时的传热条件，并扩大技术对不同阻燃塑料的适用范围。如何在保持回收效果的同时降低处理成本，仍是这项技术走向工业应用需要解决的问题。
参考链接：
1.Ye, L.H., Cheng, Y., Silva, K.J. et al. Simultaneous antimony recovery from and debromination of flame-retardant electronic-waste plastics. Nat Chem Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s44286-026-00455-3
2.https://news.rice.edu/news/2026/rice-researchers-develop-new-way-quickly-recycle-electronic-waste
3.https://jmtour.com/photos/
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注：封面/首图由 AI 辅助生成