回收废弃锂离子电池正极材料以合成镍钴锰催化剂，用于高效CO?秸秆气化

《Journal of the Energy Institute》：Recycling of waste lithium-ion battery cathode materials to synthesize nickel-cobalt-manganese catalysts for efficient CO 2 straw gasification

碳中和技术中利用废锂离子电池阴极材料（LiNi0.5Co0.2Mn0.3、LiCoO2、LiMn2O4）合成高效镍钴锰催化剂，通过XRD/XPS/SEM/TGA表征发现，5:4:3摩尔比的N5C4M3催化剂在CO2辅助秸秆气化中合成气产量达865.24 mL/g，较对照组提升134%，焦油产量降低84%，历经10次循环活性仅下降23.3%。协同效应中Ni促进CO2分解，Co增强电子传导，Mn稳定晶格结构，优化钴含量促进C-C键断裂和Boudouard反应，抑制甲烷生成。构建了“废电池-催化剂-金属回收”闭环系统，为高值化回收废锂电及催化生物质气化提供新路径。

　　随着全球碳排放问题的日益严峻，实现碳中和目标已成为各国政府和科研机构的重要任务。在这一背景下，二氧化碳气化技术因其在环境和经济效益方面的显著优势而受到广泛关注。该技术能够将温室气体转化为高附加值的合成气，从而为实现负碳路径提供了一种可行的手段。然而，当前该技术仍面临两个主要瓶颈：一是较低的碳转化率，二是较高的焦油产量。这些瓶颈主要源于芳香族化合物（如甲苯和萘）在低温区域的热力学稳定性，使得其难以有效分解。这些多环芳烃通过冷凝反应形成碳沉积物，不仅降低了反应器内的传热效率，还覆盖了催化剂的酸性位点，进一步抑制了催化反应的进行。值得注意的是，这两个问题之间存在耦合效应：未完全裂解的碳骨架成为进一步生成焦油的前体，而焦油的覆盖又反过来抑制了碳的转化，形成了一个恶性循环。

为了解决这一问题，研究者们开始探索开发多功能催化剂系统，以同时降低C-C键的裂解能垒并促进焦油的加氢转化。过渡金属催化剂因其独特的d轨道电子结构而在这一领域占据主导地位。例如，在钴基催化剂中，Co3?通过σ轨道与弱C-C键结合，从而降低裂解所需的活化能；而在锰添加剂中，Mn??的3d3电子能够稳定晶格氧，抑制活性组分在高温下的迁移。然而，现有的商业Co/Al?O?催化剂通常需要维持钴负载超过20 wt.%，这直接导致了资源和成本的双重危机。同时，贵金属组分占系统总投资的35%，严重制约了该技术的经济可行性。

面对这些挑战，学术界逐渐将目光转向废弃锂离子电池（LIBs）的回收利用。据预测，到2025年，全球三元电池（如NCM和NCA）的产量将超过60% [11]，其中正极材料中的镍、钴和锰含量超过了60% [12]。这些材料的层状晶体结构与气化催化剂所需的尖晶石相具有拓扑兼容性，为定向转化提供了材料科学的基础。与传统的回收方法相比，将废弃LIBs正极材料直接转化为催化剂具有显著的优势。在再生过程中，正极材料的结构特性被创造性地利用：例如，LiCoO?可以转化为具有氧空位缺陷的Co?O?，其三中心键能够降低CO?的吸附焓42 kJ/mol，并提高吸附容量 [13]、[14]；而Mn??则在尖晶石八面体框架中构建一个刚性的结构，有效抑制活性组分的烧结。实验已经证实，湿法冶金可以用于从废弃汽车催化剂中直接回收铂族金属，并合成碳支持的铂族金属催化剂。不仅回收率高达97.99 ± 2.64%，而且合成的催化剂表现出优异的长期稳定性 [15]。这种方法省去了金属纯化步骤，从而降低了原材料成本。

本研究提出了一种新的思路，即将废弃LIBs的正极材料转化为高效的生物质气化催化剂。在还原条件下，过渡金属氧化物能够形成活性物种，其催化活性由Ni:Co:Mn的摩尔比所调控。这一结构-活性关系在气化过程中尚未被充分研究。然而，已有研究表明，三元材料中的金属间复杂相互作用可能是关键 [16]、[17]。通过XRD、XPS、SEM和TGA等表征方法，本研究对催化剂的结构和物理化学性质进行了深入研究。五种催化剂分别由锂镍钴锰氧化物（LiNi?.?Co?.?Mn?.?，即NCM523）、锂钴氧化物（LiCoO?）和锂锰氧化物（LiMn?O?）等正极材料合成，并在实验室规模的固定床气化反应器中进行了性能评估。其中，NCM523催化剂表现出最佳性能，其稳定性随后得到了进一步研究。

本研究的主要目标是探讨废弃三元电池材料（即镍、钴、锰的比例）对生物质气化的影响，构建一个“废电池-催化剂-金属回收”的循环利用系统，并通过精确控制NCM523中的Ni/Co/Mn摩尔比，建立一种成分-反应-活度的结构-活性关系。这一研究不仅为工业应用提供了新的思路，也为高附加值利用废弃锂离子电池和催化生物质气化提供了理论支持。此外，该策略还能够有效回收资源，减少环境污染，推动绿色能源的发展。通过将废弃物转化为有价值的材料，本研究展示了循环经济在应对全球碳排放危机中的潜力。这种转化不仅提高了资源的利用效率，还为实现可持续发展提供了新的路径。