云南大学郭洪团队JEC：从废电池回收钴构筑高效全水分解电催化剂

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背景

近年来，随着人类社会发展的需求，化石燃料的过度使用已经引起了全球的能源危机及环境问题，极大的阻碍了人类社会的可持续发展。因此，为实现碳达峰碳中和的可持续发展目标，化石燃料经济急需向清洁能源模式过渡。氢（H₂）作为绿色能源载体，因其高能量密度而被认为是替代化石燃料的最有前途的候选之一。在各种产氢的方法中，通过氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）极化过程进行的全水分解被认为是目前最有效和环保的方法。实验跟理论研究证明过渡金属钴基氮化物具有优异的HER/OER催化性能。然而，近年来随着锂离子电池的大量消耗，钴元素的价格持续增高。因此，从废的器件设备中回收有价值的钴元素以及提升其利用效率是提升能源转化与储存设备中钴元素利用率必不可少的方法。

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成果展示

近期，云南大学郭洪团队通过从废弃锂离子电池回收钴元素，合成三维海胆结构的氮化钴纳米复合材料（CoN-Gr-2），用于全水分解双功能催化剂。该团队采用了一种简单、环境友好的湿法冶金回收方法成功从废锂离子电池中回收钴元素，可控构筑了三维结构的CoN-Gr-2得益于其高电子转移效率、大的表面积、高暴露的活性位点以及独特的三维海胆结构，表现出优异的HER/OER催化性能。

该论文以“Recycling valuable cobalt from spent lithium ion batteries for controllably designing a novel sea-urchin-like cobalt nitride-graphene hybrid catalyst: towards efficient overall water splitting.”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上，第一作者为云南大学博士后刘婷婷。

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图文导读

研究人员通过预处理、洗涤、过滤、煅烧、刻蚀以及再过滤等过程从废锂离子电池中回收得到草酸钴。以回收的草酸钴为钴源，制备得到的前驱体在氨气氛围下得到氮化钴-石墨烯三维结构复合材料。

图1. 废锂离子电池中回收钴元素示意图以及合成三维海胆结构的CoN-Gr-2示意图

从图2的SEM以及TEM图中可以看出，成功合成的CoN-Gr-2呈现为三维海胆结构状。组装(–) CoN-Gr-2||CoN-Gr-2 (+)作为全电解池作全水分解，所需要的电压数值为1.61V，仅仅比商业组装的(–) 20 wt% Pt/C||RuO₂ (+)低0.01V，同时从电极上收集的作全水分解后的材料作Co 2p_3/2 XPS测试，从测试谱图中可以看出形貌没有明显坍塌与变化，证明CoN-Gr-2具有更加优异的稳定性。

图2. 一系列材料的SEM以及TEM图：（a1）Gr的SEM图;（b1）块状CoN的SEM图; （c1,d）CoN-Gr-2的SEM图；（a2）Gr的TEM图;（b2）块状CoN的TEM图; （c2）CoN-Gr-2的TEM图；（e）CoN-Gr-2线扫图，（f）CoN-Gr-2的高分辨TEM图，(g–j) CoN-Gr-2的表面元素分布图.

分别将(–)CoN-Gr-2||CoN-Gr-2 (+) 与(–) 20 wt% Pt/C||RuO₂ (+)作为全电解池作全水分解，从图3中可以看出，(–)CoN-Gr-2||CoN-Gr-2 (+)组成全电池电解水电位仅需要1.61V，仅仅比商业(–) 20 wt% Pt/C||RuO₂ (+)低0.01V，同时具有比商业(–) 20 wt% Pt/C||RuO₂ (+)更优异的稳定性，从电极上分别收集HER/OER反应后的催化剂做TEM以及XPS测试，形貌并未产生坍塌，具有较高的稳定性。

图3. (a) (–) CoN-Gr-2||CoN-Gr-2 (+) 与(–) 20 wt% Pt/C||RuO₂ (+)作为全电解池作为全水分解的电位-电流密度关系图；(b) CoN-Gr-2在1 M KOH溶液中在电位为1.68V时作全水分解的时间-电流关系图；(c，d) CoN-Gr-2在作HER反应后从电极上收集样品测试的Co 2p_3/2 XPS图；(e，f) CoN-Gr-2在作OER反应后从电极上收集样品测试的Co 2p_3/2 XPS图.

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小结

综上述，从废锂离子电池中回收钴元素，用于可控构筑CoN-Gr催化剂用于全水分解产氢，表现出优异的HER/OER性能。该工作从回收废能源设备中的有价值的钴元素到构筑具有高水分解效率的三维海胆状CoN-Gr催化剂，进一步促进有价值的元素钴在各种能源设备中的有效利用，为发展有效的从废弃能源储存设备中回收有价值元素用于能源转化工业链提供了理论可能。

文章信息

Recycling valuable cobalt from spent lithium ion batteries for controllably designing a novel sea-urchin-like cobalt nitride-graphene hybrid catalyst: towards efficient overall water splitting.

Tingting Liu, Sheng Cai, Zhihui Gao, Shuming Liu, Huani Li, Lijuan Chen, Mian Li*, Xiaofei Yang*, Hong Guo*

Journal of Energy Chemistry

DOI: 10.1016/j.jechem.2021.03.052

作者简介 

郭洪，男，云南大学教授、博士生导师。云南省学术学科带头人、云南大学东陆学者，云南省先进能源材料国际联合研究中心、云南省高校全固态离子电池重点实验室负责人。主要从事电化学储能（二次Na、Li离子电池关键材料）、光电催化技术研究。主持完成973计划课题、国家自然科学基金等20项省部级及以上科研项目。以第一/通讯作者在Adv. Mater., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, ACS Catal., Appl Catal B:Environ.等国际重要学术期刊发表高水平论文100余篇，15篇论文入选ESI高引论文，H因子35，他引超过5000次，获15项中国发明专利。获北京市第二届优秀博士学位论文，2010年全国优秀博士学位论文提名，云南省科学技术奖励自然科学二等奖（排名第一）等多项科研奖项。担任《理化学学报》、《Rare Metals》等期刊青年编委，中国硅酸盐学会固态离子学分会（CSSI）理事、国际能源与电化学科学研究院(IAOEES)理事。课题组常年招聘师资及科研博士后，联系邮箱：[e-mail]。

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