绿色回收废弃锂电池制备Fe 2 O 3 /CoPi光电催化材料
发布时间：2021-10-09 09:49
近几十年来,能源短缺与环境污染问题日益严竣,开发清洁可再生能源来取代化石能源刻不容缓。锂离子电池在可持续能量转换和储存方面显示出巨大的优势,因而被广泛应用,另一方面,废旧锂离子电池的大量丢弃造成了严重的环境污染。因此,回收废弃电池用于再生电池或其他功能材料,不但能减少环境负担,还可提供新的能源储存/转换器件,近年来备受研究者的关注。本论文提出了一种有效的电化学回收方法,利用废弃磷酸铁锂（LiFePO4）和钴酸锂（LiCoO2）电池制造高性能赤铁矿（Fe2O3）/磷酸钴（CoPi）光电阳极的新方法,并用于光电分解水制氢。主要内容包括以下三部分:1.采用一种化学浸出技术从废弃LiFePO4中提取铁元素。选择草酸浸出剂,通过改变草酸与LiFePO4比例、浸出温度等因素,得到较优的浸出条件。随后采用电化学阴极沉积技术,在恒电位（-1.1～-0.8 V vs.RHE）下,在FTO导电基底上得到Fe薄膜。进一步在680℃-800℃可转化为赤铁矿膜。在该过程中,通过改变...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光电化学电池示意图（光阳极为例）[70]
华北水利水电大学硕士学位论文8（FTO）衬底（方阻：≤7Ω，尺寸：10×50×2.2mm）购于华南湘城科技有限公司（深圳）；LiFePO4阴极粉末购自科晶（深圳），将LiFePO4锂电池电池（深圳Delipow14500）拆解，放电电压低于0.1V后，收集正极LiFePO4层，将铝箔分离回收。2.1.2磷酸铁锂正极材料的溶解LiFePO4的浸出过程如图2-1所示，先将一定比例的草酸H2C2O42H2O溶解于396ml去离子水中，然后将1.262g的LiFePO4（8mmol）正极材料分散到溶液中，最后加入4ml的双氧水H2O2（30%体积比）作为氧化剂。该分散体在暗处90°C下以500转/分钟的速度搅拌过夜。等浸出液冷却至室温，使用漏斗和滤纸过滤黑色固体残渣得到淡黄色浸出液，然后用去离子水将浸出液（~20mMFe3+）稀释至5mM作为电解液（pH~2.9~3.3）进行金属铁薄膜的沉积。废旧磷酸铁锂中大部分离子以磷酸盐和草酸盐的形式被提取进入水溶液中，约2/3的铁元素被提取为草酸铁络合离子，如（2-1）、（2-2）式所示（该过程会在后面的表征中详细论证）：o90C4224224324322LiFePO+6HCO+HO→2LiHPO+2HFe(CO)+2HO2(2-1)o90C42242224422LiFePO+2HCO+HO→2LiHCO+2FePO+2HO(2-2)图2-1草酸-H2O2浸渍溶解磷酸铁锂过程示意图Fig.2-1Schematicdiagramoftheleachingprocessoflithiumironphosphatebyoxalicacid-H2O22.1.3氧化铁的制备氧化铁的制备过程如图2-2所示：将FTO玻璃裁成长条状，首先置于水-双氧水-氨水（1:1:1体积比）溶液中进行超声清洗，然后用去离子水冲洗数次，空气中自然干燥，UV-O3处理30min。然后使用电化学工作站（CHI660E）三电极沉积，饱和甘汞电极（SCE，0.241VvsNHE）作为参比电极，一片FTO衬底（1×1.5平方厘米）作为工作电极，一片大面积FTO衬底（~5cm2）用作?
2回收磷酸铁锂正极材料制备氧化铁光阳极9流电源提供外加电压，与三电极相比除了没有参比电极，其他的电极保持一致。工作电极与对电极之间的距离保持在1厘米以下。以上述浸出液稀释到一定浓度作为电解液，在恒电位（1.1~1.5VvsRHE）下进行电化学沉积，得到Fe薄膜。将管式炉预先加热至一定温度（700-800℃），将Fe薄膜放置预热的坩埚上，快速置于管式炉保持合适的时间（1~11min），快速取出，在空气中直接冷却至室温。图2-2制备Fe薄膜、氧化铁薄膜的示意图（三电极左，两电极右）Fig.2-2SchematicdiagramofpreparationofFethinfilmsandironoxidethinfilms(three-electrodeleft,two-electroderight)2.1.4纳米结构、光学和光电性能表征样品晶体结构采用X射线粉末衍射仪（布鲁克D8Advance，铜靶，λ=1.5418）测试，测试角度2θ=10°~70°。采用X射线光电子能谱仪检测样品的表面成分（ThermoScientific型号Escalab250Xi）。样品的拉曼光谱在共聚焦拉曼显微镜仪（雷尼绍，型号inViaReflex）上收集，测试条件为绿光（532nm），范围200-1000cm-1。样品形貌使用场发射扫描电子显微镜（型号FEI，Nova450NanoSEM）测试（加速电压3KV），采用电子能量散射谱仪（EDS）进行成分分析（加速电压调为10KV））。样品的高度图是在导电原子力显微镜（布鲁克DimensionIcon）上收集的，测试条件为环境条件。薄膜的光吸收特性由紫外可见光谱仪以透射模式测得（安捷伦公司，型号Cary5000）。薄膜的瞬态表面光电压在吉林大学协助搭建的瞬态表面光电压仪上收集，采用纳秒激光（BrilliantEazy，型号BRILEZ/IR，355nm,4ns）作为做激发光源、数字示波器（Tektronix，型号TDS3054C，500MHz）和前置放大器（1000倍）收集电压变化。薄膜样品组装成三明治结构：FTO-云母片-氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]废旧锂离子电池中钴、锂的回收研究进展[J]. 孟奇,张英杰,董鹏,梁风. 化工进展. 2017(09)
[2]近20年来我国空气污染研究热点与趋势的文献计量分析[J]. 曹永强,朱明明. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2016(03)
[3]可再生能源综合利用的研究现状与展望[J]. 吴利乐,郑源,王爱华,任岩. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
博士论文
[1]废旧钴酸锂材料中钴回收及机理研究[D]. 孟奇.昆明理工大学 2018
[2]废弃锂离子电池破碎及富钴产物浮选的基础研究[D]. 张涛.中国矿业大学 2015
硕士论文
[1]助催化剂增强氧化物光阳极氧化水反应及其电荷动力学研究[D]. 李磊.华北水利水电大学 2019
[2]废旧锂离子电池阴极材料中钴的回收[D]. 孟冠军.广西大学 2017
本文编号：3426123
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光电化学电池示意图（光阳极为例）[70]
华北水利水电大学硕士学位论文8（FTO）衬底（方阻：≤7Ω，尺寸：10×50×2.2mm）购于华南湘城科技有限公司（深圳）；LiFePO4阴极粉末购自科晶（深圳），将LiFePO4锂电池电池（深圳Delipow14500）拆解，放电电压低于0.1V后，收集正极LiFePO4层，将铝箔分离回收。2.1.2磷酸铁锂正极材料的溶解LiFePO4的浸出过程如图2-1所示，先将一定比例的草酸H2C2O42H2O溶解于396ml去离子水中，然后将1.262g的LiFePO4（8mmol）正极材料分散到溶液中，最后加入4ml的双氧水H2O2（30%体积比）作为氧化剂。该分散体在暗处90°C下以500转/分钟的速度搅拌过夜。等浸出液冷却至室温，使用漏斗和滤纸过滤黑色固体残渣得到淡黄色浸出液，然后用去离子水将浸出液（~20mMFe3+）稀释至5mM作为电解液（pH~2.9~3.3）进行金属铁薄膜的沉积。废旧磷酸铁锂中大部分离子以磷酸盐和草酸盐的形式被提取进入水溶液中，约2/3的铁元素被提取为草酸铁络合离子，如（2-1）、（2-2）式所示（该过程会在后面的表征中详细论证）：o90C4224224324322LiFePO+6HCO+HO→2LiHPO+2HFe(CO)+2HO2(2-1)o90C42242224422LiFePO+2HCO+HO→2LiHCO+2FePO+2HO(2-2)图2-1草酸-H2O2浸渍溶解磷酸铁锂过程示意图Fig.2-1Schematicdiagramoftheleachingprocessoflithiumironphosphatebyoxalicacid-H2O22.1.3氧化铁的制备氧化铁的制备过程如图2-2所示：将FTO玻璃裁成长条状，首先置于水-双氧水-氨水（1:1:1体积比）溶液中进行超声清洗，然后用去离子水冲洗数次，空气中自然干燥，UV-O3处理30min。然后使用电化学工作站（CHI660E）三电极沉积，饱和甘汞电极（SCE，0.241VvsNHE）作为参比电极，一片FTO衬底（1×1.5平方厘米）作为工作电极，一片大面积FTO衬底（~5cm2）用作?
2回收磷酸铁锂正极材料制备氧化铁光阳极9流电源提供外加电压，与三电极相比除了没有参比电极，其他的电极保持一致。工作电极与对电极之间的距离保持在1厘米以下。以上述浸出液稀释到一定浓度作为电解液，在恒电位（1.1~1.5VvsRHE）下进行电化学沉积，得到Fe薄膜。将管式炉预先加热至一定温度（700-800℃），将Fe薄膜放置预热的坩埚上，快速置于管式炉保持合适的时间（1~11min），快速取出，在空气中直接冷却至室温。图2-2制备Fe薄膜、氧化铁薄膜的示意图（三电极左，两电极右）Fig.2-2SchematicdiagramofpreparationofFethinfilmsandironoxidethinfilms(three-electrodeleft,two-electroderight)2.1.4纳米结构、光学和光电性能表征样品晶体结构采用X射线粉末衍射仪（布鲁克D8Advance，铜靶，λ=1.5418）测试，测试角度2θ=10°~70°。采用X射线光电子能谱仪检测样品的表面成分（ThermoScientific型号Escalab250Xi）。样品的拉曼光谱在共聚焦拉曼显微镜仪（雷尼绍，型号inViaReflex）上收集，测试条件为绿光（532nm），范围200-1000cm-1。样品形貌使用场发射扫描电子显微镜（型号FEI，Nova450NanoSEM）测试（加速电压3KV），采用电子能量散射谱仪（EDS）进行成分分析（加速电压调为10KV））。样品的高度图是在导电原子力显微镜（布鲁克DimensionIcon）上收集的，测试条件为环境条件。薄膜的光吸收特性由紫外可见光谱仪以透射模式测得（安捷伦公司，型号Cary5000）。薄膜的瞬态表面光电压在吉林大学协助搭建的瞬态表面光电压仪上收集，采用纳秒激光（BrilliantEazy，型号BRILEZ/IR，355nm,4ns）作为做激发光源、数字示波器（Tektronix，型号TDS3054C，500MHz）和前置放大器（1000倍）收集电压变化。薄膜样品组装成三明治结构：FTO-云母片-氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]废旧锂离子电池中钴、锂的回收研究进展[J]. 孟奇,张英杰,董鹏,梁风. 化工进展. 2017(09)
[2]近20年来我国空气污染研究热点与趋势的文献计量分析[J]. 曹永强,朱明明. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2016(03)
[3]可再生能源综合利用的研究现状与展望[J]. 吴利乐,郑源,王爱华,任岩. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
博士论文
[1]废旧钴酸锂材料中钴回收及机理研究[D]. 孟奇.昆明理工大学 2018
[2]废弃锂离子电池破碎及富钴产物浮选的基础研究[D]. 张涛.中国矿业大学 2015
硕士论文
[1]助催化剂增强氧化物光阳极氧化水反应及其电荷动力学研究[D]. 李磊.华北水利水电大学 2019
[2]废旧锂离子电池阴极材料中钴的回收[D]. 孟冠军.广西大学 2017
本文编号：3426123
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