科学家发现废旧锂离子电池的新用途生产过氧化氢

仅在过去四年间，全球锂离子电池的使用量就翻了一番，产生了数量惊人的含有多种有害物质的电池废弃物。对废旧锂离子电池进行有效回收利用的需求日益迫切。在《ChemElectroChem》杂志上，来自波兰各研究机构的科学家提出了一种有希望的解决方案。

该研究基于从废旧锂离子电池(LIB) 电极中提取的碳材料。这些电极经过酸性浸出工艺以回收有价值的金属。根据实验条件，所得碳材料或多或少被蚀刻，并且在磨成粉末后仍含有微量金属，包括钴——一种常用于催化的金属。该研究旨在重新利用这些电池材料以用于催化过程，特别关注那些促进过氧化氢生产的材料。

“过氧化氢是一种基本化学分子，对许多行业都至关重要。大规模生产这种物质通常需要高压和高温、昂贵的催化剂和各种有电解质。我们的重点是开发一种更环保的过氧化氢生产方法：具体来说，是一种使用来自废旧锂离子电池的催化剂的电化学方法，”项目负责人、详细介绍这一成就的文章的主要作者 Magdalena Warczak 博士 (PBS) 解释说。

电化学测试表明，从废旧 LIB 电池中回收的材料含有碳纳米结构和钴，在氧还原反应中表现出催化特性。然而，研究还发现，这些特性高度依赖于样品的类型，特别是其成分和结构，而这在很大程度上受到用于清洁从锂离子电池中提取的电极的蚀刻液成分的影响。

“对于未来的潜在应用，关键的发现是，基于使用旋转电极的实验收集的数据，我们能够确定参与单个氧分子还原的电子数量。氧气的电化学还原可以用四个或两个电子发生。在四个电子的情况下，会产生水，但有两个电子，我们会得到所需的过氧化氢。在我们测试的所有样品中，我们都观察到了双电子还原，”Warczak 博士解释说。

为了消除用作基底的玻璃碳电极对结果的潜在影响，在将单个电池粉末悬浮在两种不混溶液体之间的系统中重复测量。有机液体含有十甲基二茂铁，这是一种在所研究的氧还原反应中提供电子的化合物。

用不同放大倍数记录的浸出后废电池粉末的 SEM 图像，分别为(a–b)材料 1、(c–d)材料 2、(e–f)材料 3。来源：ChemElectroChem (2024)。DOI：10.1002/celc.202400248

氧气还原在液体界面处自发发生。这些研究证实，与使用玻碳电极的实验类似，所有样品都催化了氧气还原反应，产生了过氧化氢。使用扫描电化学显微镜测量的界面处过氧化氢的浓度比没有电池废料的系统高出一到两个数量级。

“锂离子电池通常被视为碳材料(主要是石墨)和锂、钴或镍等金属的次要来源。同时，我们团队的研究结果清楚地表明，电池废料可以催化氧气还原为过氧化氢，并且在未来，这可能导致其用于生产这种重要的化合物，”Warczak 博士总结道。

浓度为 3% 的过氧化氢在药店出售，用作伤口和炎症的消剂，但其对伤口护理的有效性尚有争议。浓度高达 15% 的溶液用作家用清洁产品和化妆品(如染发剂)中的漂白剂。浓度约为 30% 的溶液称为过氧化氢，在各种行业中都至关重要，包括化学制造(用于过氧化物合成和作为氧化剂)、纸浆和纸张和纺织品(作为漂白剂)、橡胶(作为原材料)、电子和金属(作为蚀刻剂)以及食品加工(作为杀生物剂)。

有趣的是，过氧化氢还可以作为燃料的氧化剂，包括火箭燃料。它最早在 20 世纪 40 年代发挥了这一作用，当时它被用于能够跨越太空传统边界的早期火箭。然而，当时它的浓度不超过 80%，技术限制阻碍了长期任务。

相比之下，高浓度(98% 或更高)的过氧化氢是最环保的推进剂之一。就在几周前，它首次以这种形式用于太空飞行，为华沙卢卡谢维奇航空学院建造的亚轨道火箭提供动力。

未来的研究将侧重于提高电化学反应的效率，使其达到适合未来工业应用的水平。未来的计划还包括探索四电子还原在燃料电池中的潜在应用。

该团队包括比得哥什科技大学 (PBS)、波兰科学院基础技术研究所、华沙波兰科学院物理化学研究所和弗罗茨瓦夫科技大学的研究人员。