张作泰教授、赵宝军教授， CEJ论文：电离能方法筛选制备强还原性有机酸低共熔剂用于提取废旧锂电池贵重金属- 大数跨境

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张作泰教授、赵宝军教授， CEJ论文：电离能方法筛选制备强还原性有机酸低共熔剂用于提取废旧锂电池贵重金属

科学材料站

2022-02-19

导读：该文章提出了一种基于有机酸分子电离能计算的方法，结合电化学伏安循环的实验验证，为筛选出高效还原和提取废旧锂电池中贵重金属的有机酸低共熔溶剂提供了理论依据和方向指导。

文章信息

电离能方法筛选制备强还原性有机酸低共熔剂用于提取废旧锂电池贵重金属

第一作者：华韫辉

通讯作者：张作泰*，赵宝军*

单位：南方科技大学，昆士兰大学，江西理工大学

研究背景

由于锂电池在全世界范围内的大规模使用，多年来，废旧锂电池的回收受到广泛关注，被认为对于实现资源可持续利用和减少环境污染具有重要意义。考虑到经济价值，对于废旧锂电池回收处理的研究工作主要集中在对正极材料中贵重金属的提取收集。

近年来，将低共熔溶剂应用在提取废旧锂电池的贵重金属的研究越来越多。基于钴酸锂、镍钴锰三元正极材料等的化学性质，还原性有机酸低共熔溶剂成为一种高效的提取剂。本文展示了一种基于有机酸分子计算，从理论角度筛选强还原性有机酸低共熔溶剂的方法，为实现高效提取贵重金属提供了指导。

文章简介

在这里，来自南方科技大学的张作泰教授与江西理工大学的赵宝军教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ionization potential-based design of deep eutectic solvent for recycling of spent lithium ion batteries”的文章。

该文章提出了一种基于有机酸分子电离能计算的方法，结合电化学伏安循环的实验验证，为筛选出高效还原和提取废旧锂电池中贵重金属的有机酸低共熔溶剂提供了理论依据和方向指导。

图1. 不同有机酸的浸出效率，氧化电位与其电离能呈现出正相关性，可以通过理论计算电离能来预测合适的还原性有机酸。

本文要点

要点一：有机酸分子电离能大小与还原性关系

电离能代表一种物质失去电子时所需要的能量，电离能越小，就代表该物质越容易在外界作用下失去电子，从而在氧化还原反应中起到更强还原剂的作用。研究表明，有机酸的分子电离能与这种酸的还原性强弱有着接近线性的正相关关系。当一种有机酸的分子电离能越低时，在伏安循环测试中的氧化峰的电位值越小，表明其具有更强的还原性。

另外，在使用氯化胆碱、不同有机酸和水共同组成的低共熔溶剂中，随着电离能越小、还原性越强，正极材料中高价金属的浸出效率也越高。在这其中，抗坏血酸低共熔溶剂表现出最为高效的提取效率，同时抗坏血酸也具有最低的氧化电位和最小的分子电离能。电离能计算为高效筛选出合适的还原性有机酸提供了理论指导。

要点二：电离能计算分子氧化机理

对于包括抗坏血酸的众多有机酸而言，分子中不同原子所处的电荷环境不同，在受到外界氧化剂作用时，释放出电子的能力不一样。通过比较电离前后，每个原子电荷量的变化，可以有效判断出在发生氧化反应时，电子最有可能的释放位点，从而推断出反应前后分子的结构变化和反应产物。

在本研究中，针对抗坏血酸分子反应前后，不同原子电荷的变化，推断出其失去电子和脱氢的位点，其结果和产物与红外测试的结果一致。该方法成功预测了反应机理过程。

要点三：低共熔溶剂可循环性

传统水溶液湿法提炼往往因为溶剂不可再循环而造成浪费。低共熔溶剂借助氯化胆碱与有机酸之间的氢键作用，使得有机分子始终以液态形式存在，避免与无机组分共沉淀。研究表明，水溶液中的抗坏血酸则会受到乙醇影响而大量析出，导致其分离过程更复杂，且循环性变差。

抗坏血酸与氯化胆碱形成的低共熔体系则不易受到外界水或乙醇的变化而发生溶解性的改变，在一轮循环之后，低共熔剂中未反应的抗坏血酸可以继续用于下一轮浸出，以实现对低共熔剂组分的充分利用。

文章链接

Ionization potential-based design of deep eutectic solvent for recycling of spent lithium ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133200

通讯作者简介

张作泰 教授

南方科技大学环境科学与工程学院教授，兼任深圳市城市固体废弃物资源化技术与管理重点实验室执行主任，南方科技大学技术转移中心副主任。主要从事工业和城市固废高效清洁利用等领域研究。近五年主持包括自然科学基金委优秀青年基金、国家重点研发计划、深圳市学科布局等10余项国家、省部级科研项目；近五年在Appl. Cat. B: Environ., Appl Energy., ACS Sustain. Chem.& Eng., Waste. Manag., J. Hazard. Mater.等国际知名期刊发表SCI文章80余篇；申请国家发明专利20余项，有多项专利实现技术转让；应邀在国际会议作报告10余次，多次担任分会主席；应邀担任Journal of Cleaner Production副主编，《中国科学：技术科学》青年编委、Metall. Mater. Trans.的Keyreader等；担任中国硅酸盐学会固废分会副理事长等职务。获得广东省环境协会二等奖、中国循环经济协会技术一等奖、北京市科技进步二等奖、美国TMS会议最佳论文奖等。

赵宝军 教授

江西理工大学材料、冶金与化学学院的教授。长期从事金属和材料的高温加工相关的基础和应用研究。他研究的大量相平衡和粘度实验数据直接支持了热力学和粘度建模的发展，并在工业生产中得到应用。目前已发表200多篇参考期刊和会议论文，并获得了多项国际奖项。赵教授与许多国际公司在冶金和资源方面有长期合作，以支持低品位矿物的高效利用以及冶金工艺的优化和发展。