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Sustainable and Energy-Efficient Production of Rare-Earth Metals via Chloride-Based Molten Salt Electrolysis

熔盐 电解 阳极 电积 法拉第效率 氯化物 化学 无机化学 电解法 材料科学 冶金 电极 光学 物理 物理化学 电解质 激光器
作者
Benjamin P Holcombe,Nicholas Scott Sinclair,Ruwani N. Wasalathanthri,Badri P. Mainali,Evan Guarr,Alexander A. Baker,Sunday Oluwadamilola Usman,Eun‐Jeong Kim,Shohini Sen-Britain,Hongyue Jin,S. McCall,Rohan Akolkar
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (10): 4186-4193 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c07720
摘要

Neodymium metal is a critical component of rare earth magnets, essential for electric vehicles and the green energy transition, but its production has severe environmental impacts across its mining, separation, purification, and metal electrowinning steps. Specifically, conventional neodymium electrowinning in oxyfluoride molten salts using a consumable graphite anode generates greenhouse gases, e.g., carbon dioxide and perfluorocarbon (PFC). We propose an alternative chloride-based molten salt electrolysis process utilizing a novel dimensionally stable anode (DSA). Our process lowers the specific electrical energy consumption compared to the state of the art, while producing reusable chlorine gas and eliminating direct CO<sub>2</sub> and PFC emissions. Chloride-based molten salt electrolysis of NdCl<sub>3</sub> (1.65 M) added to a LiCl–KCl eutectic (45:55 wt %), while using a RuO<sub>2</sub>-coated DSA enables high Coulombic efficiency (>80%), low specific energy consumption (2.3 kWh/kg-Nd), and excellent electrowon Nd product purity (>97 wt %). Life cycle analysis, excluding the common input feedstock (Nd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>), shows that the global warming potential for the proposed chloride-based electrolysis approach is 5 kg CO<sub>2</sub> equivalent, compared to 9–16 kg CO<sub>2</sub> equivalent for the conventional process, representing a 44–69% reduction in CO<sub>2</sub> emissions.
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