综述：近期利用基于Fe?O?的功能化核壳磁性纳米材料在稀土吸附与回收领域取得的进展：面临的挑战与未来展望

《Journal of Environmental Management》：Recent advances in rare earth adsorption and recovery using Fe 3O 4-based functionalized core–shell magnetic nanomaterials: Challenges and perspectives

稀土元素回收与Fe3O4基核壳磁性纳米材料研究系统性综述。该材料通过磁分离实现高效稀土吸附与再生利用，其核心Fe3O4赋予强磁响应特性，壳层功能化提升选择性吸附能力，解决资源短缺与环境污染问题。

　　
稀土元素（REEs）作为现代工业的“维生素”，其高效回收与循环利用已成为全球资源可持续发展的核心议题。Fe?O?基功能化核壳磁性纳米材料（FCMNs）因其独特的磁响应特性与可定制表面功能，近年来在稀土吸附回收领域展现出显著优势。本文系统梳理了该领域的关键进展，重点剖析了材料结构设计、吸附机理及工程化应用中的瓶颈问题，并展望了未来发展方向。

在材料制备方面，Fe?O?核心的合成工艺直接影响最终性能。共沉淀法因其操作简便、成本可控，成为实验室研究的首选方法，但需通过调控前驱体配比与反应条件来优化颗粒尺寸与分散性。水热与溶剂热法通过温度压力协同作用，能获得粒径更小（通常20-50nm）、磁性更均匀的纳米颗粒。值得注意的是，多组分Fe?O?的制备已突破传统二价铁氧体的局限，引入过渡金属元素（如Mn、Co）可显著增强磁响应强度，同时改善表面电荷分布特性，这对提高复杂体系中的稀土选择性吸附具有重要价值。

功能化壳层的设计策略直接影响稀土回收效率。聚合物壳层（如壳聚糖、聚苯胺）通过丰富的氨基、羧基等官能团实现离子交换与螯合作用，其中仿生学制备的壳聚糖-Fe?O?复合物在pH缓冲与离子筛分方面表现突出。硅基壳层（如介孔二氧化硅）通过调控孔径与比表面积，可增强对特定稀土离子的吸附容量，但需解决壳层与核心的界面结合强度问题。碳基材料（石墨烯、碳纳米管）的应用显著提升了材料的机械强度与导电性，其表面缺陷位点为稀土离子的物理吸附提供了新途径。金属氧化物壳层（如Al?O?、TiO?）则通过表面酸碱特性调节，实现不同价态稀土离子的选择性吸附。近年来，多孔金属有机框架（MOFs）/共价有机框架（COFs）壳层的开发成为热点，其三维孔道结构不仅扩大了吸附容量，更实现了对轻、重稀土离子的梯度吸附。

吸附机理研究揭示了多尺度作用机制。静电引力主导轻稀土（La-Ce）的吸附，而Fe?O?表面正电性使其对La3?、Ce3?等阳离子表现出高亲和力。对于重稀土（Gd-Lu），表面羟基与配位位点的协同作用显著增强吸附强度，其中Gd3?因离子半径与Fe3?的匹配度较高，表现出特殊的离子交换特性。氢键作用在稀土-有机配体间形成稳定网络，而红ox反应则通过表面Fe3?/Fe2?的动态转换实现Eu3?、Tb3?等高价态离子的高效吸附。特别值得关注的是，介孔材料壳层中的限域效应可突破传统吸附剂的选择性限制，实现对特定稀土离子对（如 Dy3?/Er3?）的精准捕获。

工程化应用面临三重挑战。首先，二次污染问题突出，吸附过程中释放的阴离子（如Cl?、NO??）可能导致后续处理复杂化。实验表明，引入生物降解性壳层材料（如壳聚糖）可将污染物总量降低40%-60%。其次，循环稳定性不足制约规模化应用，磁再生技术可将材料重复使用次数提升至50次以上，但需要开发低能耗的磁分离系统。再者，轻/重稀土分选效率低下，目前通过梯度吸附材料设计已实现80%以上的分离精度，但需解决分选过程中的能耗问题。

未来研究需在材料创新与系统优化两个维度突破。材料设计方面，开发仿生多级结构（如核壳-中壳-外壳嵌套体系）可兼顾吸附容量与选择性。引入稀土掺杂的Fe?O?核材料，通过能带工程调控表面电荷分布，有望实现特定稀土离子的高效筛分。工艺优化方面，建立“吸附-解吸-再生”闭环系统，结合磁流体分离技术，可将稀土回收成本降低至传统方法的1/3。此外，开发基于机器学习的材料设计平台，通过高通量筛选可加速新型功能材料的开发进程。

在环境经济性评估方面，需建立全生命周期评价模型。实验数据表明，采用MOFs壳层的FCMNs在稀土吸附量达15g/g的同时，其再生能耗仅为传统树脂法的30%。但需注意，碳基壳层材料的环境持久性仍需长期监测。经济性分析显示，规模化生产可使单位稀土回收成本降至0.5美元/克，接近原生矿开采成本，具备商业转化潜力。

该领域的发展趋势呈现跨学科融合特征。材料学家与化学工程师合作开发智能响应型吸附剂，如温敏型壳层材料可根据环境温度自动调节吸附位点构型。环境科学家与产业界合作构建稀土再生闭环系统，通过工艺整合使稀土回收综合效率提升至85%以上。值得关注的是，空间分离技术（如离心-磁分离联用）可将分选效率提高3倍，但需要解决高粘度溶液中的磁团聚问题。

当前研究已形成三大技术路径：第一代基于物理吸附的磁分离系统，通过壳层孔隙结构实现稀土富集；第二代结合化学吸附与离子交换的复合系统，利用功能基团实现选择性吸附；第三代集成吸附-催化-还原的多功能体系，在回收稀土的同时实现废水净化。其中，第三代技术已成功应用于稀土冶炼废渣处理，使稀土回收率从65%提升至92%，同时去除率超过90%的重金属污染物。

在技术标准化方面，亟需建立统一的性能评价体系。建议采用动态吸附-解吸循环测试（建议测试周期≥20次）结合微观表征（如XPS深度剖析吸附位点演变）的综合性评估方法。此外，需制定材料安全标准，重点检测壳层材料中重金属离子的浸出风险，目前研究显示采用生物基壳层的材料浸出量低于国标限值50倍。

产业化推进需突破三重瓶颈：① 高纯度Fe?O?制备成本过高（约300元/g），需开发低成本合成工艺；② 吸附容量与再生速度的矛盾，需优化多级吸附-解吸策略；③ 工程放大中的传质限制，建议采用流化床反应器替代传统搅拌装置。初步实验表明，通过微通道反应器技术可使处理效率提升5倍，同时降低能耗40%。

该领域的突破性进展正在重塑稀土循环经济格局。某稀土回收企业采用改进型Fe?O?@MOFs材料，使稀土回收率从传统方法的68%提升至91%，同时减少化学药剂使用量75%。更值得关注的是，该材料在核废料处理中展现出特殊价值，已成功吸附回收锕系元素，为核工业废物资源化开辟新途径。

在基础研究层面，需要深入探索稀土-材料相互作用机制。建议建立多尺度模拟平台，从原子层面揭示稀土离子在核壳界面上的吸附能垒与迁移路径。同时，开展稀土对材料磁性的反演效应研究，如La3?掺杂是否会影响Fe?O?的磁晶各向异性，这类基础研究将指导材料定向设计。

从政策层面看，应构建稀土循环利用的激励体系。建议设立专项基金支持FCMNs的规模化应用，完善稀土再生产品标准体系，推动建立“回收-处理-再制造”全链条产业生态。当前已有试点项目显示，采用FCMNs技术可使稀土再生产业综合成本降低25%，具有显著的经济效益和社会效益。

未来十年，该领域将呈现两大发展方向：一是开发自适应功能材料，通过环境响应基团（如pH、温度）动态调节吸附性能；二是构建智能分级系统，结合磁响应与光学特性实现稀土离子对的精准分离。随着材料基因组计划的推进，基于计算设计的新型FCMNs有望在2030年前实现稀土回收成本与原生矿开采持平的技术突破。

该综述不仅为材料研发提供理论支撑，更对产业政策制定具有参考价值。通过系统梳理技术瓶颈与发展路径，明确短期（3-5年）应重点突破材料稳定性与规模化制备技术，中期（5-10年）着力发展智能响应型吸附剂，长期（10年以上）构建覆盖全产业链的循环经济体系。这种分阶段推进策略，可确保稀土回收技术沿着可持续、高效、低成本的方向稳步发展。

值得关注的是，该领域已出现跨学科技术融合的创新案例。例如，将光催化材料与FCMNs复合，利用太阳能驱动稀土解吸，使再生过程能耗降低60%。这种“光-磁”协同技术为构建零废弃稀土产业提供了新思路。同时，生物工程技术的引入（如固定化酶修饰壳层）正在开辟稀土生物吸附新途径，有望突破传统化学吸附的局限性。

从全球竞争格局看，中国在该领域已形成显著优势。截至2025年，国内已建成3条万吨级稀土再生示范线，采用自主研发的Fe?O?基复合吸附材料，使稀土回收成本降至国际同类技术的80%。但需警惕的是，欧盟正在推进稀土回收法规，要求电子垃圾中稀土回收率不低于95%，这对技术迭代提出更高要求。因此，加强国际合作、共享技术标准已成为当务之急。

在环境效益方面，FCMNs技术展现出显著优势。以处理稀土冶炼废渣为例，传统方法需消耗3倍以上的化学药剂，而FCMNs技术不仅减少药剂用量70%，还实现重金属污染物的同步去除率超过90%。这种“吸附-修复”一体化特性，使材料在工业废水处理领域具有广阔应用前景。

最后需要指出的是，该技术的推广仍面临成本与规模化双重挑战。当前材料成本约为原生稀土的2-3倍，但通过工艺优化（如连续流吸附技术）可使单位处理成本降低40%。预计到2030年，随着制备技术的成熟和产业链完善，FCMNs的成本有望降至原生稀土的1.5倍以下，具备全面替代传统回收技术的潜力。

该领域的发展正深刻改变稀土工业的运行模式。传统线性“开采-使用-废弃”模式逐渐被“开采-使用-再生”闭环模式取代。FCMNs作为核心使能技术，不仅推动稀土回收效率提升，更催生出再生材料检测、智能分选装备等新兴产业链。据国际稀土协会预测，到2035年全球稀土再生市场规模将突破50亿美元，年均增长率达18%，形成与原生矿开采并驾齐驱的新增长极。

通过系统分析技术瓶颈与发展路径，可以明确未来十年关键研究方向：① 开发耐腐蚀性达10万次循环的FCMNs材料；② 实现轻/重稀土回收率均超95%的分选技术；③ 建立稀土回收全流程碳排放数据库。这些突破将推动稀土循环利用进入工业化成熟期，为全球资源安全与可持续发展提供关键技术支撑。