纤维素热解气重整与废旧锂离子电池金属还原协同转化的热化学策略

针对废旧锂离子电池（LIBs）传统火法冶金过程中气体产物利用率低的问题，研究人员创新性地将纤维素热解与LIBs正极材料还原耦合，提出了一种同步实现热解气催化重整（H2/CO生成）和金属（Ni/Co/Mn）还原的热化学策略。该研究揭示了过渡金属的温度依赖性催化机制，为生物质与电子废弃物的协同高值化提供了能源高效、环境友好的新路径。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池（LIBs）的报废量激增，其正极材料中富含的锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）等战略金属若处理不当将造成资源浪费与环境污染。传统火法冶金虽能回收金属，却忽视了热解气体（如H₂/CO）的利用，而生物质热解过程又面临气体产率低的瓶颈。如何实现"一石二鸟"——既高效回收金属又提升气体价值，成为循环经济领域的重大挑战。

中南大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，开创性地将纤维素热解与废旧LIBs正极材料还原相结合。通过热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和密度泛函理论（DFT）计算，系统探究了300–900°C温度区间内Ni/Co/Mn等过渡金属的双重作用：既催化纤维素热解气重整，又被还原为高纯度金属单质。研究发现，Ni在300°C低温下优先促进H₂生成，而Mn在700–900°C高温下显著提升CO产率，Co则维持气固反应的持续循环。这种"以气促金属、以金属催气"的协同机制，最终实现Li转化为Li₂CO₃、过渡金属还原为Ni/Co/MnO的高效转化。

关键实验方法
研究选用NCM900/NCM811等典型正极材料与纤维素混合，通过HSC Chemistry模拟关键反应热力学，结合STA300热重分析仪追踪质量变化，利用Ultima ⅣⅣ型XRD和K-ALPHA型XPS解析物相转化，气相色谱监测H₂/CO/CH₄等气体动态演变。

主要研究结果

1. 金属转化的温度依赖性：LCO在500°C即可被CO还原为金属Co，而LNO需600°C才能被H₂完全还原，DFT计算证实Mn-O键断裂能垒最低（2.3 eV），解释其高温催化优势。
2. 气体演变的动态调控：NCM811与纤维素质量比1:2时，H₂产率提升47%，XPS显示Ni²⁺/Ni⁰氧化还原对加速H₂O分解。
3. 协同机制解析：原位生成的CO可将Mn₂O₃还原为MnO，同时Mn⁴⁺促进C=O键断裂，形成"金属还原-气体再生"的闭环系统。

该研究不仅为LIBs回收提供了低温（较传统工艺降低300°C）、低能耗的新方法，更开创了生物质与电子废弃物协同处置的新范式。通过精准调控Ni/Co/Mn的催化序列，实现了H₂（91.19 mL/g）与高纯度金属（回收率>90%）的联产，为"双碳"目标下的资源循环提供了兼具经济性与环境友好性的解决方案。未来通过优化正极材料与生物质配比，有望进一步放大该技术的工业应用潜力。