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近日化學(xué)工程學(xué)院朱兆友教授/李國選特聘教授團隊在AIChE Journal（https://doi.org/10.1002/aic.18714）期刊發(fā)表了一篇題為“Extraction of valuable metals from waste Li-ion batteries by deep eutectic solvent: experimental and mechanism analysis”的研究論文。該研究針對廢鋰離子電池（LIBs）設(shè)計了多種疏水性低共熔溶劑（HDES）用于有價金屬的回收，對金屬回收工藝性能及萃取機理進行了一系列研究。

圖1 LIBs鹽酸浸出液中有價金屬離子的HDESs提取與回收及分離機制研究方案

研究團隊通過選擇不同的氫鍵供體（癸酸、利多卡因、DL-薄荷醇和百里香酚）與氫鍵受體（磷酸三丁酯和磷酸三辛酯），合成了一系列HDES。經(jīng)過探索性實驗，篩選出了適用于LIBs正極材料中有價金屬回收的HDES。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和核磁共振氫譜（1H NMR）表征，確認了氫鍵供體（HBD）與氫鍵受體（HBA）之間的氫鍵作用。靜電勢分析（ESP）顯示，氫鍵的形成主要是由Lid（HBD）中的N-H鍵與TOP（HBA）中的P=O鍵相互作用，進一步驗證了HDES的成功合成。

圖2 低共熔溶劑選擇性提取有價金屬實驗及分離機制研究

研究團隊基于萃取時間、反應(yīng)溫度、水相pH以及有機相/水相比例等變量，進行了萃取條件的優(yōu)化實驗。在優(yōu)化條件下，HDES[TOP][Lid]對Co2?和Ni2?的單級萃取效率分別達到了98.5%和83.9%；HDES[TBP][Lid]對Co2?和Ni2?的單級萃取效率分別為96.0%和82.9%。通過量子化學(xué)（QC）和分子動力學(xué)（MD）模擬，進一步揭示了HDES中金屬離子的萃取機理。分子層面的分析表明，有價金屬離子與HDES之間的靜電和配位作用主導(dǎo)了金屬離子的提取過程，其中Co2?和Ni2?與HDES的相互作用強度顯著高于Li?與HDES之間的相互作用強度。

該項研究不僅為從廢棄LIBs中高效回收貴金屬提供了新的策略，還展示了HEDS作為一種綠色萃取劑的巨大潛力。通過這種新型溶劑，有望在提高金屬回收效率的同時，減少對環(huán)境的影響，為廢棄LIBs的可持續(xù)處理和資源回收提供一種更加環(huán)保、高效的解決方案。