投稿到接收不足2月！他，师从多位院士，博毕4年任南科大独立PI，新发PNAS！

成果简介

便携式储能对锂（Li）的需求永无止境，因此需要一种可持续的低碳回收方法。传统的湿法冶金和火法冶金方法，严重涉及危险化学品和大量的二氧化碳（CO₂）排放。基于此，南方科技大学陈洪副教授（通讯作者）等人报道了通过耦合直接电极氧化和间接电催化电解液氧化，提出了一种独特的双氧化方法，用于从各种锂源中快速高效地浸出锂金属，包括废LiFePO₄、LiCoO₂、LiMn₂O₄、Li(Ni_xCo_yMnz)O₂和锂辉石矿物。利用这种双重氧化机制，作者展示了一种以软化海水为电解液的可再生能源集成光伏（PV）驱动的锂浸出系统。值得注意的是，该系统在短短90 min的电力驱动时间内，从废LiFePO₄中获得了98.96%的高选择性Li浸出率和近99.60%的产品纯度。

机理研究发现，电场驱动的直接电极氧化和原位电催化生成的氧化氯化学，氧化通过结构骨架元素氧化和颗粒腐蚀分裂共同促进锂浸出。通过该系统证明，回收1.0公斤废LiFePO₄无需危险化学品运输或CO₂排放，能耗为0.054 kWh kg^-1，经济利润为1.41 USD kg^-1，突出了其经济可行性。本研究为关键金属资源提取的绿色和可持续电化学技术铺平了道路，与实现碳中和和循环经济的全球迫切需要保持一致。此外，双氧化机制在一系列锂基质中的普遍性表明其在资源回收和可持续发展方面具有更广泛的应用潜力。

相关工作以《Photovoltaic-driven dual-oxidation seawater electrolyzer for sustainable lithium recovery》为题在《PNAS》上发表。值得注意的是，

本论文是2024年7月22日投稿，2024年9月20日就被接收。陈洪博士，南方科技大学环境科学与工程学院副教授（长聘）/研究员、博士生导师。2010—2014，瑞典斯德哥尔摩大学博士毕业，导师孙俊良教授与邹晓冬院士；2015—2016，瑞典皇家工学院有机化学系孙立成院士课题组博士后；2016—2018，斯坦福大学Michael F. Toney教授课题组与加州大学杨培东院士课题组联合博后。

图文解读

锂浸出的电化学方法通常分为两类：直接电化学方法和间接电化学方法。直接氧化法通常利用废锂离子电池（LIBs）作为阳极，依靠外加电压诱导框架过渡金属氧化。间接氧化方法采用负载锂主体的钛组件阳极原位电催化电解液氧化，生成氧化锂主体材料的活性物质；来自能源供应商的电子间接地推动了浸出过程。本文采用一种独特的“双氧化”机制，将直接电极氧化和电催化电解液氧化结合起来，以增强锂浸出。

图1.从富锂材料中电化学氧化驱动锂提取的多种机制

LiFePO₄阳极在0.10 M NaCl、0.05 M Na₂SO₄和0.10 M NaNO₃电解液中的线性扫描伏安法（LSV）显示，相同电压下NaCl中催化氧化电流密度显著提高，表明析氧反应（OER）/析氯反应（CER）活性增强，即电催化氧化过程更活跃。在0.10 M NaCl电解液中，锂离子在40 min内达到平衡浸出，平衡浸出效率（LE）为88.7%，比Na₂SO₄（50 min, LE=86.4%）和NaNO₃（60 min, LE=87.9%）中的动力学更快，LE更高。动力学分析显示，NaCl中的反应速率常数明显比Na₂SO₄和NaNO₃更高，表明NaCl中的电荷转移氧化过程更有效。随着Cl^–浓度的增加，观察到锂浸出的加速动力学趋势。值得注意的是，在1.00 M Cl^–下，在40 min内实现了近100%的锂浸出，表明了一个浓度依赖的、高效的快速锂浸出。

图2.不同电解液中LiFePO₄浸出锂的比较

图3.双氧化条件下LiFePO₄的结构演化动力学

在0.50 M NaCl电解液中进行浸出实验，使用了含LiCoO₂、LiMn₂O₄、Li(Ni_xCo_yMn_z)O₂和含锂矿物锂石的废锂。在第一阶段，经过90 min的电驱动双氧化反应，LiCoO₂、LiMn₂O₄和Li(Ni_0.33Co_0.33Mn_0.33)O₂的锂浸出效率分别为91.78%、90.18%和95.31%，相变为Na_0.51CoO₂、Li_0.08Mn_1.72O₄H_0.6和NaNi₃O₆(H₂O)₂。在第二阶段，将双氧化电极在活性电解液中自由放置10 h，废LiCoO₂、LiMn₂O₄和Li(Ni_0.33Co_0.33Mn_0.33)O₂的最终LE分别提高到95.79%、95.41%和99.50%。结果表明，原位生成的氧化电解液可以促进这两个阶段的锂浸出。值得注意的是，即使是锂含量有限（0.11%）的低导电性锂辉石矿物，其锂LE值也高达63.15%，同时其六方尖晶石晶体结构LiAl(Si₂O₆)发生坍塌，形成SiO₂和Al₂O₃。

图4.双氧化锂浸出机理及普遍性

作者进一步集成了光伏面板，以驱动废LiFePO₄在多通道软化海水电解槽中的锂浸出。在第一阶段，海水中较高的NaCl浓度将体系内的锂LE提高到94.87%，未观察到明显的铁浸出。在第二阶段，将电极留在原位生成的氧化电解液中10 h，可进一步将最终的锂LE提高到98.96%。在双氧化系统中，仅需要0.054 kWh kg^-1的能量消耗就可以回收1.0 kg的废LiFePO₄。收获的Li₂CO₃产品纯度为99.60%，回收率为98.96%，超过了大多数电化学锂回收方法。直接电极氧化在双氧化机制中占主导地位，锂浸出过程的法拉第效率（FE）和能量效率（EE）分别为90.86%和15.12%。最终，直接电极氧化和原位电催化生成活性氯间接氧化对双氧化锂浸出体系的贡献分别为91.39%和8.61%。

图5.光伏驱动的锂回收系统和沿海未来工业园区

图6.环境效益与技术经济评价

文献信息

Photovoltaic-driven dual-oxidation seawater electrolyzer for sustainable lithium recovery. PNAS, 2024

原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/10/20/ce97f4d130/

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