【独家】这位化学家助美国破解稀土产业难题

（英文大纪元记者Eva Fu撰文／张紫珺编译）只需要脉冲闪烁一下，一个产业难题就将迎刃而解。

德克萨斯州休斯敦莱斯大学（Rice University）的化学家兼纳米技术专家詹姆斯·图尔（James Tour）认为，美国可以通过这种方式，破除中国在稀土（rare earth）领域的垄断地位。

这项提取技术所需要的材料，只是废弃的电子产品。而美国拥有大量这样的废弃电子产品，简直堆积如山。图尔的研究团队开创了一种方法，能够利用这些废料快速提取稀土金属。

“我们可以先提取出一种金属，然后再提取出另一种金属。”他向《大纪元时报》介绍道。“真的就是这么简单。”

图尔教授提出的解决方案是焦耳热闪蒸技术（flash Joule heating）：将材料迅速加热到几千度的高温，从而令金属汽化。汽化后的金属与氯气（chlorine gas）混合，转化为不同温度下析出的氯化物（chlorides）。

图尔解释说，就像白炽灯泡一样，这项技术也是通过向原材料通入电流来工作。但是，白炽灯泡是通过持续通电而产生持续的亮光，而在处理金属的过程中，能量则是以短脉冲（short burst）的形式传递，达到在几毫秒内迅速升温的效果。

“金属可以无限循环利用，所以我们可以回收金属，不断地循环使用。”他说道。图尔表示，传统的金属提炼方法相当“繁琐”，而他提出的方案则力求简单。

“只需要脉冲闪烁一下，就搞定了。”

在现今的情势之下，速度比以往任何时候都显得更为重要。美国正在争分夺秒，努力将稀土生产迁回国内，其中部分原因是受到中共的刺激。今年10月，中共政权威胁将大幅限制稀土出口供应。

华盛顿方面获得了一年的贸易停战协议，现在他们只有很短的时间来弥补稀土供应的不足。建设和运营一座矿山，可能需要花上15年时间。

图尔表示，他的技术将帮助美国走上更快的稀土供应之路。“它将为我们提供一条通往独立的路线图。”他说道。

他说，他的发明是模块化的。“要让这套系统运作起来，只需要投入几千万美元。就这种类型的制造业而言，所需的资金并不算多。”

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美国失去主导地位让位于中国

稀土元素作为17种关键矿物中的一个子类，是电动汽车、风力涡轮机、智能手机和导弹等设备的重要组成部分。

目前，中国处于这条至关重要的全球生产链的中心位置。据总部位于法国巴黎的国际能源署（International Energy Agency，简称IEA）的数据显示，全球90%以上的稀土磁体产自中国。此外，中国还是某些元素（例如钐/ samarium）的唯一供应国。钐具有耐高温性能，被广泛应用于战斗机和核反应堆。

这种主导地位来源于中共长达数十年的战略投资、巨额国家补贴以及咄咄逼人的市场操纵手段，这些措施扼杀了外国竞争对手。

当然，美国所做出的决定也起到了一定作用。

直到1991年之前，美国一直是全球领先的稀土生产国，加利福尼亚州的帕斯山矿（Mountain Pass）供应着世界上大部分的稀土。随后，由于环境问题，该矿被迫停产多年。正是这个时候，中国开始在稀土开采领域占据一席之地。

尽管五角大楼表示反对，美国政府还是向1995年的一宗交易开了绿灯，将当时稀土磁体行业的领军企业、通用汽车（General Motors）旗下的稀土磁铁业务公司麦格昆磁（Magnequench）出售给一家中国代理集团，实际上将关键的国防技术和制造业拱手让给了中国。

2004年，麦格昆磁公司关闭了位于印第安纳州的工厂，并将业务转移到中国。次年，北京开始对稀土出口进行征税。

时光荏苒，20年后的今天，美国对中国的矿产资源的依赖却越陷越深。

“当时我们并没有意识到，我们所出售的东西对于我们国家来说竟然如此重要。”图尔说道。

变废为宝

早在1976年，美国就已经出台法律，规范电子垃圾的回收处理。

在随后的几年里，电子垃圾的激增催生了一个全新的回收产业，然而这个产业至今仍难以跟上电子垃圾增长的需求。据联合国（UN）统计，电子垃圾现在是增长速度最快的垃圾类型，其增长速度是回收速度的五倍。

联合国题为“全球电子废弃物监测报告”（The Global E-waste Monitor，11/2024）的报告最新数据显示，2022年美国产生了720万吨电子垃圾，约占全球总量的八分之一。这个数字相当于每个美国人一年平均产生约46磅电子垃圾。

“我们有许多可供开采的尾矿山，而且我们还有已经堆积如山，还在源源不断增加的印刷电路板。”图尔说道。

图尔表示，他们开发的技术可以清理这些如噩梦般不断恶化的垃圾场，并将它们转化为“宝藏”。

“这么做，人人都是赢家。”

现在，澳大利亚工业技术公司Metallium德克萨斯州子公司Flash Metals USA的技术开发经理卢卡斯·埃迪（Lucas Eddy）正在亲眼见证这个理念付诸实践。

“废弃物之所以成为废弃物，真正的原因不是因为它不好，而是因为它不能被利用。”他向《大纪元时报》解释道。

埃迪说，这就是焦耳热闪蒸技术大显身手的地方，他们在德克萨斯州的工厂已获得该金属回收方法的许可。

“这就是焦耳热闪蒸技术的未来。”

旧技术 新构想

通过导体通电产生热量的焦耳热技术（Joule heating）早在19世纪40年代就已经出现。如今，这种技术已经应用于烤面包机、电暖器、烤箱和吹风机等电器中，成为每个家庭不可或缺的一部分。

此前，没有人想到过用这种技术来处理电子垃圾。

图尔团队的灵感来源于一篇题为“莱斯大学实验室瞬间将废物转化为宝贵的石墨烯”（Rice lab turns trash into valuable graphene in a flash，01/27/2020）的科学论文，该论文描述了使用焦耳热闪蒸技术制造金属纳米粒子的方法。

受此启发，团队的研究人员将这种技术应用于碳材料，发现这是一种快速、低成本制备高质量石墨烯的方法。接下来，他们开始探索焦耳热闪蒸技术在提取美国急需的稀土金属方面的潜力。

艾迪是2025年莱斯大学图尔实验室的毕业生。他于2021年初加入项目团队，当时这种技术应用上的转变才刚刚开始。

“这些化学反应真的就在眼前发生。”他说道。“你会看到迸发出彩虹一样的各种色彩。”

在化学反应中，颜色的每一次变化都代表一种金属元素被析出。艾迪指出，稀土元素通常沸点最高，因此往往在最后析出，通常呈白色粉末状。

图尔表示，该项目引起了美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）的兴趣，DARPA要求他们使这项技术具有更多的工业应用的价值。团队获得了一份联邦合同，致力于将沸点降低。他们试验了各种形式的氟化物和氯，最终确定使用氯气。

埃迪说，这一步是“革命性的”。

迄今为止，电子产品回收的主要方式是将电子元件浸泡在强酸中，这种方法会产生大量有毒化学物质。另一种方法是在熔炉中加热材料，但这是一种高能耗过程，需要大量的初始投资和额外的提纯工序。

而将金属转化为氯化物，则可以绕过这个中间步骤。

根据图尔参与撰写、发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的题为“从废物中可持续分离稀土元素”（Sustainable separation of rare earth elements from wastes，09/29/2025）的论文，极快的加热速率和冷却速率还可以降低能源消耗，最多可降低87%。

“这种方法更清洁，也更快速。”图尔说道。

“每个科学家的梦想”

除了可以应用在稀土金属领域外，这项技术还有广泛的环境应用前景。

研究人员利用这种方法从赤泥（red mud，生产铝的副产品）中去除有毒金属，从而得到含铝量丰富的材料，这种材料可以用于制造瓷砖，也可以重新投入到常规的铝生产循环中。

图尔表示，珠宝制造商已经和他们接洽，希望提取电子产品中的黄金，而其他人则在成功提取锂（lithium）之后，寻求从手机中提取纯净玻璃。

他说，就连印刷电路板上的塑料部件也很有用。在高温下，塑料会分解成一氧化碳（carbon monoxide）和氢气（hydrogen），而氢气是化学制造的燃料和基石。

图尔表示，这个过程几乎没有浪费。

“对于我们国家来说，这是一场重大胜利。对于环境来说，这是一场重大胜利。希望对于投资者来说，这也是一场重大胜利。”

目前，项目团队仍在优化温度控制系统以提高金属的纯度。但就他们目前的成果而言，已经存在庞大的市场。

今年9月，五角大楼授予Metallium公司一份第一阶段合同，从废物流中提炼关键矿物镓（gallium）。

该公司位于休斯敦郊外的商业规模工厂正在按计划推进，预计将于2026年初投产。图尔表示，他们的目标是到明年1月，工厂日处理1吨印刷电路板，到明年9月，日处理量增加至20吨。目前，该公司还在马萨诸塞州和弗吉尼亚州筹建另外两处工厂。

图尔透露，当他向一群北约的将军提出这个构想时，其中一位将军站起来说：“这将会阻止战争的发生。”

“大多数战争都是为了争夺资源，比如水资源、石油资源和矿产资源等。”图尔说道。“人们为了资源而战，为了资源而互相残杀。”

从亚洲到澳大利亚再到沙特阿拉伯，美国总统唐纳德·川普一直在全球范围内建立可靠的联盟，以对抗中共对关键矿产资源的控制。

图尔表示，他很高兴看到自己的创新成果正在发展成为潜在的国家安全筹码。

“能够解决国家面临的关键问题——这简直是每个科学家的梦想。”

英文《大纪元时报》专栏记者杨杰凯（Jan Jekielek）对本报道有贡献。

原文：This Chemist May Have Cracked America’s Rare Earth Problem刊登于英文《大纪元时报》。