《Journal of Alloys and Compounds》：Synthesis process and heat storage performance of Cu-Si phase transition alloy from recovered organosilicon spent contact mass
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Cu-Si相变合金通过回收工业废料中的铜硅资源制备，采用低温氧化焙烧与选择性浸出联合工艺实现高回收率（Si 85.73%，Cu 90.86%），分子动力学模拟揭示Si含量提升合金热稳定性与相变性能。
作者：Zuhan Shan、Pengliang He、Xichen Sun、Jingsai Cao、Jijun Wu、Wenhui Ma
昆明理工大学冶金与能源工程学院，中国昆明市650093
摘要
传统的有机硅工业废接触物质（SCM）回收方法面临环境和效率方面的挑战。本研究提出了一种结合低温氧化焙烧和选择性浸出的工艺，用于回收硅（Si）和铜（Cu），然后通过高温合金化制备Cu-Si相变合金。该工艺实现了85.73%的硅回收率和90.86%的铜回收率。所得Cu-20wt.%Si和Cu-25wt.%Si合金的熔化焓分别为187.4 J·g?1和143.7 J·g?1，并且在100次循环后表现出优异的循环稳定性和最小的潜热损失。分子动力学模拟表明，较高的硅含量增强了Cu-Si原子间的相互作用，提高了晶格稳定性，并提供了关于相变动力学的原子尺度见解。这项工作实现了工业废物的高价值利用，展示了这些Cu-Si合金在高温废热回收和新能源系统中的潜力。
引言
由于硅材料具有优异的绝缘性、柔韧性和耐热性[1]、[2]、[3]、[4]，它们被广泛应用于电子、电气工程、建筑和医疗保健等多个领域。目前，有机硅材料的工业合成主要依赖于有机硅单体（如二甲基氯硅烷）作为聚合反应的起始材料。这些单体是通过氯甲烷在铜催化剂存在下与工业硅粉反应生成的[5]、[6]。单体生产过程中不可避免地会产生废接触物质（SCM）作为副产品。这种副产品主要由微硅粉和失活的铜催化剂组成。如果处理不当，SCM很容易导致环境污染。然而，由于其中仅含有少量杂质（如铁和铝），SCM可以被视为高质量的硅铜混合资源。然而，传统的SCM处理工艺通常侧重于提取高价值的铜资源，而忽视了其中大量的硅成分[7]、[8]、[9]、[10]。鉴于其高纯度的铜和硅，SCM成为制备高性能Cu-Si相变材料的理想二次资源，从而解决了废物管理和能源存储问题。
随着全球能源结构的快速转变，太阳能和风能等绿色能源的比例持续上升。根据国际能源机构的预测，在可持续发展的背景下，到2050年，风能和太阳能可能占全球发电量的62%[11]、[12]。然而，太阳能和风能的应用受到间歇性等挑战的限制，而工业过程会产生大量废热，因此有效的能源存储对于提高整体效率至关重要[13]、[14]、[15]。热能存储材料是这项技术的核心。熔盐作为一种代表性的热存储介质，在工业应用中得到了广泛研究和应用[16]、[17]。然而，熔盐存在显著的缺点，包括体积膨胀大、导热系数低以及分解温度通常低于600°C，这限制了它们在需要高于700°C操作温度的应用（如聚光太阳能和甲烷重整）中的使用[18]。相比之下，金属相变材料通常具有较高的相变温度、较大的潜热、有限的体积膨胀和优异的导热系数，使其成为高温热能存储的理想候选材料[19]、[20]、[21]。其中，Cu-Si合金由于铜的高导热性和硅的强大热存储能力而具有最佳的热物理性能，使其成为理想的相变能量存储材料。Nobuyuki Gokon等人[22]研究了在真空条件下封装有20 wt.%、25 wt.%和30 wt.%硅的Cu合金的存储和放热性能以及稳定性，结果表明这些合金在500–1000°C范围内的热存储能力优于K?CO?和Na?CO?熔盐。然而，金属相变材料的广泛应用受到高成本的阻碍。利用富含金属资源的工业固体废物来制备这些材料提供了一种有效的降低成本策略[23]。
为了解决这些挑战，本研究提出了一种协同的“废物转化为资源与材料转化为性能”的策略，旨在直接将SCM转化为适用于高温热存储应用的Cu-Si合金。开发了一种结合低温氧化焙烧和选择性浸出的工艺，以高效回收废料中的铜和硅。随后，通过高温合金化制备出具有高潜热和良好循环稳定性的近共晶Cu-Si合金，并用氧化铝封装以确保其在高温下的使用稳定性。系统评估了这些合金的热存储性能和降解机制，并利用分子动力学模拟揭示了硅含量影响相变热力学和动力学行为的原子尺度机制。这项工作为工业固体废物的高价值利用和低成本、高性能相变热存储材料的发展提供了一条新的途径，结合了实际可行性和理论洞察。
实验材料与方法
本研究使用的SCM由中国云南省的一家硅单体制造商提供。其化学成分见表1。所有其他试剂（包括99.99 wt.%的铜粉）均来自商业渠道，无需进一步纯化即可使用。
脱水的SCM首先在空气中于450°C下进行氧化焙烧75分钟，以有效去除残留的有机物和沉积的焦炭。然后对焙烧后的材料进行浸出处理
Cu-Si合金的热存储潜力分析
研究表明，近共晶成分通常具有更好的热力学性能和循环稳定性[29]，这主要是由于其较低的凝固范围和均匀的微观结构，从而减轻了热应力。首先，可以通过调整成分来调节Cu-Si合金的操作温度范围。如FactSage数据库中的相图所示（图2(a)），过共晶合金可以利用802°C共晶熔化时的潜热以及随后的...
结论
本研究开发了一种通过从SCM中回收硅和铜资源来制备Cu-Si相变热存储合金的新工艺。这种方法不仅显著提高了废物的资源利用效率和产品价值，还为降低Cu-Si合金的生产成本和促进其大规模应用提供了可行的技术途径。结果表明，具有优异热存储性能的Cu-Si合金可以...
作者贡献声明
Xichen Sun：可视化、方法论。
Pengliang He：软件、研究。
Wenhui Ma：项目管理、概念化。
Jijun Wu：资源获取、资金筹集、数据管理。
Jingsai Cao：形式分析、验证。
Zuhan Shan：写作——审稿与编辑、初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（U24A2098）、云南省“星电人才”产业创新人才计划（XDYCCYCX-2022-0042）和云南省自然科学基金（202501BC070007）、中央引导地方科技发展基金项目（202407AB110022）以及云南省高校服务重点产业科技项目（FWCY-BSPY2025038）的财政支持。
