The sustainable recovery of critical metals such as gallium, indium, and platinum
group metals from aqueous systems is of great importance for securing resource supply,
supporting economic development, and reducing environmental burdens. Their
occurrence at low concentrations, the presence of complex coexisting ions, and the
similar chemical properties of different metals make it difficult to simultaneously
achieve high recovery efficiency and selective separation, placing higher demands on
the interfacial recognition capability of functional materials and on separation and
recovery technologies. In this study, a series of molybdenum-based materials and
porous carbon materials were developed, with chemisorption and electrosorption
activities regulated to enable the efficient separation and recovery of low-concentration
critical metals from complex aqueous systems.
Herein, the separation and recovery technologies for critical metals were first
systematically reviewed, with particular emphasis on the structure-performance
relationships, adsorption mechanisms, and limitations of gallium adsorbents. To
improve gallium adsorption performance, molybdenum oxide was modified through
nitrogen doping and defect regulation, yielding a maximum adsorption capacity of
464.8 mg g-1 with high selectivity. To overcome mass-transfer limitations at low
concentrations, bimetallic heterointerfaces were constructed for electro-assisted
preferential gallium recovery, suppressing competitive hydrogen evolution and
achieving recovery efficiencies of 97.3-98.2% at trace concentrations of 0.5-1.0 mg L-
1. Selective electrochemical separation of gallium and indium was subsequently
realized by integrating solution speciation control with nitrogen-doped molybdenum
disulfide interfaces, giving a maximum gallium/indium selectivity coefficient of 193.0
in chloride media. Finally, the CEC strategy was extended to readily reducible PGMs
using cationic porous biochar electrodes, enabling direct electrochemical reduction of
[PtCl6]2- to metallic platinum with a recovery efficiency of 95.1%, and was also
applicable to [PdCl4]2- and [RhCl6]3-. This study provides theoretical insights and
technical support for the sustainable recovery of critical metals from secondary aqueous
resources.
La recuperación sostenible de metales críticos, como el galio, el indio y los metales
del grupo del platino, a partir de sistemas acuosos es de gran importancia para garantizar
el suministro de recursos, impulsar el desarrollo económico y reducir las cargas
ambientales. Su presencia a bajas concentraciones, la coexistencia de mezclas
complejas de iones y las propiedades químicas similares de distintos metales dificultan
alcanzar simultáneamente una alta eficiencia de recuperación y una separación selectiva,
lo que impone mayores exigencias tanto a la capacidad de reconocimiento interfacial
de los materiales funcionales como a las tecnologías de separación y recuperación. En
este estudio se desarrolló una serie de materiales a base de molibdeno y materiales de
carbono poroso, cuyas actividades de quimisorción y electrosorción fueron reguladas
para posibilitar la separación y recuperación eficientes de metales críticos presentes a
bajas concentraciones en sistemas acuosos complejos.
En primer lugar, se revisaron sistemáticamente las tecnologías de separación y
recuperación de metales críticos, con especial énfasis en las relaciones estructura–
rendimiento, los mecanismos de adsorción y las limitaciones de los adsorbentes de galio.
Para mejorar el desempeño de adsorción de galio, el óxido de molibdeno se modificó
mediante dopaje con nitrógeno y regulación de defectos, alcanzándose una capacidad
máxima de adsorción de 464.8 mg g-1 y una alta selectividad. Para superar las
limitaciones de transferencia de masa a bajas concentraciones, se construyeron
heterointerfaces bimetálicas para la recuperación preferencial de galio asistida
electroquímicamente, reduciendo la influencia de la evolución competitiva de
hidrógeno y alcanzando eficiencias de recuperación de 97.3-98.2% a concentraciones
traza de 0.5-1.0 mg L-1. Posteriormente, la separación electroquímica selectiva de galio
e indio se logró mediante la integración del control de la especiación en solución con
interfaces de disulfuro de molibdeno dopado con nitrógeno, obteniéndose un
coeficiente máximo de selectividad galio/indio de 193.0 en medio cloruro. Finalmente,
la estrategia de acoplamiento de quimisorción y electrosorción se extendió a metales
del grupo del platino fácilmente reducibles mediante electrodos de biocarbón poroso
catiónico, lo que permitió la reducción electroquímica directa de [PtCl6]2- a platino
metálico con una eficiencia de recuperación de 95.1%; además, la estrategia también
fue aplicable a [PdCl4]2- y [RhCl6]3-. Este estudio aporta fundamentos teóricos y soporte
técnico para la recuperación sostenible de metales críticos a partir de recursos acuosos
secundarios.