《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Modulating ORR/OER/IRR trifunctional catalysis via ultraviolet activation of recycled carbon black for lithium-ion batteries
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为了解决废旧锂离子电池回收利用率低、传统贵金属催化剂成本高昂等问题，研究人员开展了利用真空紫外光（VUV）活化和氮掺杂改性回收炭黑以构建ORR/OER/IRR三功能电催化剂（URCA-800）的研究。结果表明，该催化剂性能媲美商业Pt/C与IrO2，并成功应用于锌-空气电池和锌-碘电池，展现出高功率密度、高碘利用率及优异的循环稳定性。该工作为电池废弃物转化为高性能多功能电催化剂提供了一条可扩展且环境友好的新路径。
随着电动汽车和便携式电子设备的飞速发展，全球对锂离子电池（LIBs）的需求正以前所未有的速度增长。然而，每一块电池都不可避免地会迎来其寿命的终点，由此产生的海量废旧电池，如果处理不当，不仅是对宝贵金属资源的巨大浪费，更会带来严峻的环境挑战。因此，对废旧锂离子电池进行高效回收与资源化再利用，对于实现可持续发展至关重要。另一方面，为了突破当前电动汽车的“里程焦虑”瓶颈，科学家们正致力于开发能量密度更高的下一代储能系统，例如锌-空气电池和锌-碘电池。这些新兴电池技术的核心部件之一，是其正极（阴极）上发生的复杂电化学反应，尤其是氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），它们共同决定了电池充放电的效率和寿命。目前，驱动这些反应主要依赖于昂贵的贵金属催化剂，如铂（Pt）用于ORR，铱（Ir）或钌（Ru）的氧化物用于OER。这不仅推高了成本，也限制了大规模应用。那么，有没有可能将废旧电池回收与高性能催化剂开发这两个看似独立的课题巧妙地结合起来，实现“变废为宝”呢？
一项发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的最新研究，正是为了解决上述难题。研究人员独辟蹊径，将目光投向了废旧锂离子电池正极材料中一个常被忽视的“副产品”——回收炭黑。他们提出，能否将这种被视为废弃物的碳材料，通过巧妙的改性手段，转化成一种能够同时高效催化ORR、OER乃至碘还原反应（IRR）的多功能电催化剂？如果成功，这将是“一石二鸟”的绝佳方案：既处理了电池废弃物，又为下一代储能技术提供了廉价、高效的非贵金属催化剂。
为了回答这个问题，研究团队开展了一系列精密的材料制备与性能测试工作。他们从废旧三元锂离子电池正极材料中回收得到炭黑，作为制备催化剂的“原材料”。整个研究的关键在于使用了创新的材料改性技术。首先，他们采用了真空紫外光（VUV）活化技术，在三聚氰胺（作为氮源）存在的气氛下对回收炭黑进行照射。这一步骤至关重要，它不仅能有效打破碳材料的原有结构，产生更多缺陷和活性位点，还能将氮原子高效地“掺杂”到碳骨架中，即实现氮掺杂（N-doping）。VUV活化之后，材料还需要经过高温煅烧处理，在800°C下进行热处理（Calcination），以进一步优化其石墨化程度、比表面积和最终的化学结构。经过这一系列处理得到的最终产物，被命名为URCA-800（Ultraviolet-activated Recycled Carbon Black-800）。随后，研究人员对URCA-800进行了全面的物理化学表征和电化学性能测试，以评估其作为三功能电催化剂的潜力，并最终将其应用于锌-空气电池和锌-碘电池的实际器件中，验证其性能。
主要技术方法
本研究采用了真空紫外光（VUV）活化结合热处理的关键技术路线，将废旧三元锂离子电池正极材料中回收的炭黑转化为高性能电催化剂。具体流程是：首先，以三聚氰胺为氮源，在VUV辐照下对回收炭黑进行活化处理，实现氮掺杂和结构改性；然后，将活化后的前驱体在800°C惰性气氛下煅烧，得到最终产物URCA-800。研究通过多种物理化学手段对材料进行表征，并系统测试了其在ORR、OER、IRR反应中的电催化性能，最后组装成锌-空气电池和锌-碘电池进行实际器件性能评估。
研究结果
1. 材料合成与结构表征
本部分通过一系列表征手段证实了URCA-800的成功合成及其独特结构。研究人员发现，VUV活化过程有效地将氮元素引入了碳骨架，形成了有利于催化反应的吡啶氮和石墨氮等活性位点。同时，活化与高温煅烧共同作用，显著提高了材料的比表面积和孔隙率，并引入了丰富的结构缺陷，这些特征均为提升电催化活性提供了基础。
2. ORR、OER与IRR三功能电催化性能
电化学测试结果显示，URCA-800展现出卓越的三功能催化性能。对于氧还原反应（ORR），在0.1 mol L?1KOH电解液中，其半波电位（half-wave potential）达到0.80 V（vs. RHE），性能与商业Pt/C催化剂相当。对于氧析出反应（OER），在电流密度为10 mA cm?2时，其过电位（overpotential）为363 mV，与商业IrO2催化剂性能相近。此外，URCA-800对碘还原反应（IRR）也表现出优异的催化活性。这些数据综合表明，URCA-800是一种高效、廉价且可替代贵金属的三功能电催化剂。
3. 锌-空气电池性能
为了验证URCA-800的实际应用潜力，研究人员将其作为空气阴极催化剂组装成液态锌-空气电池。测试表明，基于URCA-800的电池实现了高达196 mW cm?2的峰值功率密度。更重要的是，该电池展现出卓越的充放电循环稳定性，能够稳定运行超过400小时，性能无明显衰减，证明了URCA-800催化剂在实际工作条件下的高活性和高耐久性。
4. 锌-碘电池性能
研究人员进一步将URCA-800应用于锌-碘电池的正极。结果令人振奋：电池表现出了188.8 mAh g?1的高比容量，这意味着它能存储大量电荷。同时，碘的利用率高达89.6%，表明URCA-800能极其高效地催化碘的转化反应。在长循环测试中，电池在经历3400次充放电循环后，容量保持率依然很高，展现出出色的循环稳定性（cycling stability）。
研究结论与讨论
本研究成功开发了一种利用真空紫外光活化回收炭黑制备高性能三功能电催化剂（URCA-800）的新方法。该催化剂在ORR、OER和IRR反应中均表现出与商业贵金属催化剂相媲美的活性。当应用于锌-空气电池和锌-碘电池时，URCA-800赋予了器件高功率密度、高能量效率和超长的循环寿命。这项工作的重要意义在于，它巧妙地将废旧锂离子电池回收与下一代储能器件催化剂设计这两个关键领域联系起来，提出了一条可扩展的（scalable）、环境友好的（environmentally friendly） “废弃物升级再造”路径。它不仅为解决废旧电池带来的环境和资源问题提供了新思路，也为开发低成本、高性能的先进储能技术（如金属-空气电池、金属-碘电池）提供了有前景的催化剂解决方案，展现了从“电子垃圾”到“能源材料”的闭环可持续循环的巨大潜力。
