LiFePO4的双功能回收利用：锂的提取与Fe-P光催化废水处理

《Journal of Environmental Management》：Dual-functional recycling of LiFePO 4: Lithium extraction and Fe-P photocatalyst wastewater treatment

选择性空气焙烧辅助锂浸出及Fe-P固体制备光催化降解四环素的闭环回收策略，实现锂高效回收（98.15%）和铁磷资源化利用（r-FP降解76%四环素）。

　　近年来，随着全球能源结构向可再生能源的转变，电动汽车（EV）行业得到了迅猛发展。锂铁磷酸盐（LiFePO?，LFP）电池因其高安全性和长循环寿命，成为EV的主要动力来源之一。然而，随着LFP电池的广泛使用，其报废数量也迅速增加，导致资源回收和再利用变得尤为重要。LFP电池不仅含有锂、铁、铜和铝等有价值的金属，还可能包含如六氟磷酸锂电解质和氟化聚合物隔膜（如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯）等有毒有害物质。如果这些报废电池未经处理直接填埋，不仅会对土壤和地下水造成污染，还可能释放有毒气体，带来严重的环境问题。此外，报废电池中残留的电能也可能引发热失控事故，对公共健康和环境安全构成威胁。因此，LFP电池的回收和处理不仅是经济上的必要性，更具有重要的社会和环境意义。

针对这一问题，科学界提出了多种回收方法，其中“变废为宝”的理念尤为突出。目前，主要的回收方法可以分为直接再生和元素回收两大类。直接再生方法虽然操作简单且对环境友好，但其再生后的正极材料往往因杂质的存在而性能不佳。相比之下，元素回收方法可以进一步分为干法和湿法，但其反应过程较为复杂，难以实现高效、低成本的回收。更重要的是，一些回收方法仅关注锂的回收，而忽略了铁和磷的再利用潜力。事实上，锂在报废LFP中的含量相对较低（约为4%），而铁和磷则占到了材料的近50%。如果只专注于锂的回收，将产生大量铁和磷的残留物，这不仅增加了处理难度，也降低了资源利用率。因此，如何实现对LFP电池中所有成分的高效回收和再利用，成为当前研究的重要课题。

在这一背景下，研究者们开始探索将LFP正极材料作为催化剂前驱体的新型回收策略。过渡金属元素在催化反应中通常作为活性中心，而LFP中的铁元素则因其优异的氧化还原性能和环境兼容性，成为制备高效催化剂的理想选择。近年来，铁基复合材料在废水处理中的应用取得了显著进展，特别是在降解抗生素等有机污染物方面。通过光催化氧化过程，这些铁基材料能够将抗生素分解为小分子（如CO?和H?O），从而有效减少水体中的污染。因此，利用LFP电池废料中的铁元素制备新型催化剂，不仅能够实现资源的高效回收，还能为环境治理提供新的解决方案。

本研究提出了一种全新的闭环回收策略，该策略不仅实现了对锂的高效提取，还对剩余的铁-磷固体进行了功能化再利用。具体而言，通过在空气氛围下进行400°C、3小时的氧化煅烧，锂被选择性地提取出来，提取效率超过98%。同时，剩余的铁-磷固体（r-FP）无需进一步处理，即可直接作为可见光驱动的光催化剂使用，其在60分钟内对四环素盐酸盐（TC）的降解效率达到了76%。TC是一种广泛存在于水体中的抗生素污染物，其浓度范围在1.16 ng/L到14 mg/L之间。由于TC具有较强的化学稳定性，传统的生物降解方法难以有效去除，因此需要借助高效的光催化技术。r-FP在光催化降解TC过程中表现出优异的性能，其优越性主要归因于增强的载流子迁移能力，以及更高的自由基生成效率。这种双重功能的回收过程不仅实现了对LFP电池中所有成分的高效利用，还为电池的可持续回收提供了新的思路。

在实验方法上，本研究采用了一种一步法的环保热处理技术，该技术能够在空气氛围下实现锂的高效提取。通过系统研究煅烧温度对锂提取效率的影响，发现锂的提取效率在300°C至600°C的温度范围内保持稳定，均超过98%。相比之下，铁的提取效率则随温度升高而降低，从300°C时的16.2%逐渐下降至600°C时的4.2%。这一现象可以归因于在高温下，铁的氧化状态发生变化，导致其在酸性条件下的溶解性降低。因此，通过适当的煅烧条件，可以有效抑制铁的提取，从而提高锂的回收率。此外，研究还发现，通过控制煅烧时间，可以进一步优化锂的提取效率，确保在较低的能耗下实现高纯度的锂回收。

在光催化性能的评估中，r-FP表现出显著的降解能力。通过对比实验，发现r-FP在可见光照射下对TC的降解效率远高于商用FePO?。这一结果表明，r-FP不仅具备良好的光响应能力，还具有较高的催化活性。进一步的理论计算和实验分析表明，r-FP的优异性能主要源于其结构特性。在煅烧过程中，Fe(II)被氧化为Fe(III)，从而改变了材料的电子结构，增强了载流子的迁移能力。此外，r-FP在光催化过程中能够产生更多的自由基，如h?和·O??，这些自由基在降解有机污染物过程中起到了关键作用。因此，通过优化煅烧条件，不仅可以提高锂的回收率，还能显著提升r-FP的光催化性能，使其在废水处理中具有更广泛的应用前景。

从环境和经济角度来看，本研究提出的回收策略具有显著优势。首先，该方法能够实现对LFP电池中锂、铁和磷的高效回收，减少资源浪费。其次，r-FP作为光催化剂的再利用，不仅降低了废弃物处理成本，还为废水治理提供了新的解决方案。此外，该方法在操作过程中产生的污染较少，符合绿色化学和可持续发展的理念。因此，这种集成化的回收策略不仅在技术上具有可行性，还具有重要的社会和环境意义。

为了进一步验证该方法的可行性，研究者们进行了多种实验。例如，在Ca(ClO)?–H?SO?体系中，锂的提取效率可以达到98%，但此时产生的固体残留物为FePO?和CaSO?的混合物，给铁和磷的回收带来了困难。相比之下，本研究提出的方法通过氧化煅烧实现了对铁的氧化，从而降低了其在后续酸处理中的溶解性，使锂的提取更加高效。同时，r-FP在光催化过程中表现出优异的性能，其降解效率远高于商用FePO?。这一结果表明，通过合理的材料处理和优化工艺，可以实现对LFP电池中多种成分的高效回收和再利用。

此外，本研究还探讨了r-FP在光催化降解TC过程中的机理。通过实验和理论分析，发现r-FP在光照下能够产生更多的活性物种，如自由基和电子空穴，这些活性物种在降解过程中起到了关键作用。同时，r-FP的结构特性使其能够有效捕获和转移电子，从而提高光催化效率。因此，通过合理的材料设计和工艺优化，可以进一步提升r-FP的光催化性能，使其在废水处理中具有更广泛的应用前景。

在实际应用中，本研究提出的回收策略具有重要的现实意义。随着电动汽车的普及，LFP电池的报废数量将持续增加，因此，建立高效的回收体系对于资源的可持续利用至关重要。此外，废水处理是环境保护的重要环节，而抗生素污染已成为全球水体治理中的一个重大挑战。因此，利用LFP电池废料中的铁元素制备高效的光催化剂，不仅能够实现资源的高效回收，还能为抗生素污染的治理提供新的解决方案。

综上所述，本研究提出了一种新型的闭环回收策略，该策略不仅实现了对锂的高效提取，还对剩余的铁-磷固体进行了功能化再利用。通过优化煅烧条件，可以有效抑制铁的提取，提高锂的回收率。同时，r-FP作为光催化剂表现出优异的性能，其在可见光照射下对TC的降解效率远高于商用FePO?。这种集成化的方法不仅在技术上具有可行性，还具有重要的社会和环境意义，为LFP电池的可持续回收提供了新的思路。