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来源：研之成理收集编辑：Mengjie Liu
▲第一作者：Mengjie Liu, Tsung-Cheng Yang
通讯作者：Lawrence Yoon Lee, Chia-Min Yang 论文DOI：10.1021/acsenergylett.3c00109 将锂电废弃物加工为先进功能催化剂，跨领域再利用于能源转换体系，是极具优势的高值化利用策略。在本工作中，作者报道了LiFePO4回收案例研究，碳包覆LiFePO4材料在酸处理过程中被逐级刻蚀，最终形成空心碳包覆的O不饱和配位Fe单原子,和少量亚纳米FeO团簇和FePO4纳米颗粒。该材料显示出高效稳定的氧电还原催化性能，并在氨燃料电池和锌空电池两种实用能源转换装置中显示出巨大潜力。退役锂电正极材料富含大量金属资源，其高值化回收有利于金属资源循环和环境保护，亟需高效的回收利用方法。将过渡金属固体废物作为潜在原料，直接改造为先进功能材料，相较于传统冶金回收技术更符合绿色经济的要求。除去材料结构和理化性质，可持续性是电极材料的另一个重要维度。通过简单改性加工，将退役锂电正极再利用于燃料电池等器件，有可能创建一个范式转化的概念，打破能源存储和转换体系的壁垒。1.利用自上而下的升级回收策略，将退役锂离子电池正极材料碳包覆LiFePO4颗粒选择性刻蚀消解。浸出的部分金属离子可被继续回收，而外部碳空心包覆层被保留，作为载体锚定未完全消解的FePO4纳米颗粒、亚纳米FeO团簇和O不饱和配位Fe单原子。2.经实验和理论证明，在该原子/团簇/颗粒耦合碳基材料中，Fe单原子为ORR主要活性中心，展现优异的半电池氧还原性能。加工的膜电极在氨燃料电池和锌空电池中显示出巨大潜力。经过位点本征活性、器件服役性能、经济效益等多个维度的评估，回收加工的催化剂展现出相较于商业催化剂极大优势。▲图1. 碳包覆LiFePO4颗粒的化学刻蚀过程。经过初步处理后，包裹在氮掺杂碳中的LiFePO4被提取浸入HCl中进行部分蚀刻，经过滤和干燥收集残留碳基沉淀物。仔细调整HCl的浓度和反应时间，选择未蚀刻的LFP/C、0.5 M HCl处理8 min、2 M HCl处理10 min和4 h、12 M HCl处理8 h共五个样品作为各浸出阶段的代表性实例，证明蚀刻过程中产物的组成和化学状态的转变过程。▲图2. 碳包覆LiFePO4颗粒被2M HCl刻蚀10 min后的样品物理表征。由XRD、高分辨TEM、EELS、EXAFS、Mossbauer谱等多种表征分析，碳包覆LiFePO4颗粒被HCl刻蚀，内核LiFePO4中的Li+、FeO6和PO4单元逐级消解，外部碳空心包覆层被保留。最终形成了碳载体锚定的FePO4纳米颗粒、亚纳米FeO团簇和O不饱和配位Fe单原子。▲图3.氨燃料电池和锌空电池中的催化剂性能，活性起源理论分析。回收后的单原子基催化剂在ORR中展现出0.97 V的起始电位，氨燃料电池和锌空电池的功率密度分别达51 和185 mW cm−2。实验和理论计算证明，O不饱和配位Fe单原子是体系中主要活性中心，相邻的 FeO团簇和FePO4颗粒调节了单原子Fe位点反键态的电子填充，优化决速步骤中的中间吸附能，从而提高半电池ORR活性。该工作利用化学刻蚀，将退役锂电正极LiFePO4重塑为单原子基氧还原电催化剂，位于废物管理层次的优势地位，丰富了退役锂电高值化、高效率跨领域回收方法，在退役能源材料回收和活性单原子催化系统构建之间架起一座桥梁。Lawrence Yoon Suk Lee, 加拿大麦吉尔大学博士，香港理工大学应用生物和化学科技系副教授。Liu Mengjie, 香港理工大学博士、博士后。课题组长期致力于新型纳米材料设计、可再生能源转换及存储应用研究，在Angew、Matter、AM、AEM、AFM、ACS Catal.、ACS Energy Lett.等期刊发表100余篇论文。团队现招募电化学相关领域的博士研究生和博士后研究员，有燃料电池经验优先，有意者请联系lawrence.ys.lee@polyu.edu.hk。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c00109更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。