可持续协同效应：废旧锂离子电池资源化与甲烷干式重整助力循环能源未来

本研究针对废旧锂离子电池(LIBs)资源化利用与温室气体减排的双重需求，创新性地采用湿法冶金技术回收电池中的Ni、Co、Mn等金属，制备γ-Al2O3负载型催化剂用于甲烷干式重整(DRM)。在600°C低温条件下获得CH4转化率53%、H2/CO比0.7-0.8的优异性能，为构建"电池回收-催化剂制备-温室气体转化"的循环经济模式提供新思路。

　　

随着电动汽车和可再生能源的快速发展，全球锂离子电池(LIBs)报废量激增，这些"城市矿山"富含镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)等战略金属，但传统处理方式存在环境污染和资源浪费问题。与此同时，甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)两种温室气体的高效转化也面临挑战。甲烷干式重整(DRM)技术能同时转化这两种气体为合成气(H₂+CO)，但现有催化剂普遍存在低温活性不足、易积碳失活等问题。如何通过材料创新实现"变废为宝"，将电池回收与温室气体转化这两个关键环境问题协同解决，成为当前研究热点。

为解决这一交叉领域难题，研究人员开展了一项创新研究。通过湿法冶金技术从笔记本电脑18650型废旧LIBs中回收金属，采用初湿浸渍法制备出两种不同金属负载量的γ-Al₂O₃负载型催化剂（L/Al₂O₃和浓缩型Lc/Al₂O₃）。研究团队运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、H₂程序升温还原(TPR)、X射线光电子能谱(XPS)和BET比表面积测试等多维表征手段，系统分析了催化剂结构特性，并在600°C下进行了30小时的DRM性能测试。

关键技术方法包括：1) 废旧LIBs的放电处理与阴极材料酸浸回收；2) 采用初湿浸渍法在γ-Al₂O₃载体上负载回收金属；3) 综合运用XRD、XPS等技术解析催化剂晶体结构和表面化学状态；4) 微型固定床反应器评价DRM性能，结合气相色谱分析产物分布。

【催化剂表征】结果显示：

• 文本ural特性：金属负载导致比表面积从190 m²/g降至120 m²/g，但形成11.4-12.9 nm的介孔结构。XRD证实存在Co₃O₄、Mn₂O₃等晶相，Ni可能以NiAl₂O₄尖晶石形式存在。
• 表面化学：XPS揭示催化剂表面富含Mn³⁺/Mn⁴⁺和Co³⁺/Co²⁺氧化还原对，氧空位比例达57.1-71.6%。还原后出现Ni⁰和Co⁰活性物种。
• 还原性能：H₂-TPR显示金属-载体强相互作用，浓缩型催化剂还原温度降低至602°C，锂的掺杂促进了金属活化。

【甲烷干式重整性能】研究发现：

• 活性比较：浓缩型Lc/Al₂O₃初始CH₄转化率达53%，优于普通型的46%。30小时后活性保持44%，失活率仅17%。
• 产物选择性：H₂/CO比稳定在0.7-0.8，表明伴随逆水气变换反应(RWGS)。CO₂转化率始终高于CH₄，证实CO₂的活化利用。
• 构效关系：Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对和氧空位促进CO₂吸附活化，尖晶石结构抑制积碳，锂掺杂增强金属分散和还原性。

这项研究开创性地将废旧LIBs回收与DRM催化剂开发相结合，实现了"以废治废"的循环经济模式。技术层面，证实了复杂组分催化剂（Ni-Co-Mn-Li/Al₂O₃）在低温DRM中的协同效应，为多金属催化剂设计提供新思路。环境效益方面，每吨废旧电池可制备约300 kg催化剂，处理约10万m³温室气体，兼具资源循环与碳减排双重价值。未来通过优化金属配比和活化条件，有望进一步提升催化效率，推动该技术走向工业化应用。论文发表在催化领域专业期刊《Applied Catalysis O: Open》，为绿色化学与可持续发展提供了创新范式。