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南方科技大學(xué)Hong Chen, Chunmiao Zheng,Zhang Lin等--光伏驅(qū)動(dòng)雙氧化海水電解器用于可持續(xù)鋰回收
       便攜式儲(chǔ)能對(duì)鋰的需求無止境,因此必須采用可持續(xù)和低碳的方法來回收鋰。傳統(tǒng)的濕法冶金和火法冶金方法大量涉及危險(xiǎn)化學(xué)品和大量二氧化碳排放。在此,通過將電極氧化與電解質(zhì)氧化相結(jié)合,我們建立了光伏驅(qū)動(dòng)的“雙氧化”海水電解槽系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)低碳足跡和高鋰回收率。從廢舊 LiFePO4 正極材料中回收鋰的鋰浸出率為 98.96%,產(chǎn)品純度為 99.60%。深入的機(jī)理研究表明,電場驅(qū)動(dòng)的電極氧化和原位生成的氧化電解質(zhì)通過結(jié)構(gòu)框架元素氧化和顆粒腐蝕分裂協(xié)同作用協(xié)同促進(jìn)鋰離子浸出。這種雙氧化機(jī)制有利于快速、高效地提取鋰,具有廣泛的普適性,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。我們的工作展示了一種在光伏驅(qū)動(dòng)海水電解器中集成雙重氧化的有前景的策略,為在可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中從各種固體廢物和礦物中低碳回收鋰鋪平了道路。
 
 
圖 1. 電化學(xué)氧化驅(qū)動(dòng)從富鋰材料(以LiFePO4為代表)中提取鋰的多種機(jī)制。(A)直接氧化法是在施加電場的情況下直接氧化LFP負(fù)極上的框架材料,產(chǎn)生靜電排斥力促進(jìn)Li+滲入電解液。(B)間接氧化法是由電解液的電催化化學(xué)氧化驅(qū)動(dòng),在鈦電極上原位產(chǎn)生活性氧化劑,氧化主體材料進(jìn)行鋰滲出。(C)雙氧化機(jī)制依靠電場驅(qū)動(dòng)的電極氧化和電解液氧化來增強(qiáng)鋰滲出。
 
 
圖 2. 不同電解質(zhì)中 LiFePO4 鋰浸出情況比較。(A) 電化學(xué)極化曲線。(B) 鋰浸出效率、(C) 浸出速率、(D) 計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)、(E) XRD 圖案和 (F) 在不同電解質(zhì)中浸出鋰后所得 FePO4 的晶粒尺寸。誤差線表示三次重復(fù)的平均值 ± SD。
 
 
圖3. 雙氧化條件下 LiFePO4 的結(jié)構(gòu)演化動(dòng)力學(xué)。(A)充電條件下的原位 XRD。(B P)從階段 I 到階段 V 的原子分辨率非原位 HAADF 和 BF-STEM 圖像和 FFT 圖案。(Q)(020) 晶面間距的演變。(R)非原位 STEM-EELS 分析 Fe 化學(xué)態(tài),L3/L2 峰強(qiáng)度比可用于量化 Fe3+/Fe。(S)非原位 Fe 2p XPS。(T)晶體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)鋰浸出的示意圖。電化學(xué)浸出過程在 0.10 M NaCl 中以 2.50 V 的恒定電壓進(jìn)行。
 
 
圖 4. 雙氧化鋰浸出機(jī)理和普遍性。(A)雙氧化鋰浸出機(jī)理的說明。(B)LiCo02,(C)LiMn2O4,(D)Li(NixCoyMn2)O2和(E)鋰輝石鋰浸出效率。晶體結(jié)構(gòu)的演變(F)LiCo02,(G)LiMn2O4,(H)Li(NixCoyMn2)O2和(1)鋰輝石。誤差條是三個(gè)重復(fù)的平均值士標(biāo)準(zhǔn)差。
 
 
圖 5. 光伏驅(qū)動(dòng)的鋰回收系統(tǒng)和沿海未來的工業(yè)園區(qū)。(A)多通道海水電解器浸出系統(tǒng)示意圖和(B)光學(xué)照片。(C)海水電解質(zhì)中的浸出動(dòng)力學(xué)。(D)回收的 Li2CO3 的 XRD。(E)使用海水的光伏驅(qū)動(dòng)鋰回收工廠的概念。誤差線:三次重復(fù)的平均值±SD。
 
 
圖 6. 環(huán)境效益與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。(A)雙氧化浸鋰與傳統(tǒng)方法相比的環(huán)境效益。(B)雙氧化浸鋰的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
 
       相關(guān)科研成果由南方科技大學(xué)Hong Chen, Chunmiao Zheng,Zhang Lin等人于2024年發(fā)表在PNAS(https://doi.org/10.1073/pnas.2414741121)上。原文:Photovoltaic-driven dual-oxidation seawater electrolyzer for sustainable lithium recovery
原文鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.2414741121

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