Globalna upotreba litijum-jonskih baterija se udvostručila u samo poslednje četiri godine, stvarajući alarmantne količine otpadnih baterija koje sadrže mnoge opasne supstance. Potreba za efikasnim metodama recikliranja istrošenih litijum-jonskih baterija postaje sve kritičnija. U časopisu ChemElectroChem, naučnici iz različitih poljskih istraživačkih institucija predstavili su obećavajuće rešenje za ovo pitanje.
Istraživanje je zasnovano na ugljeničnom materijalu ekstrahovanom iz elektroda istrošenih litijum-jonskih baterija (LIB). Ove elektrode su prošle proces kiselog luženja da bi se povratili vredni metali. U zavisnosti od eksperimentalnih uslova, rezultujući ugljenični materijal je manje ili više urezan i, nakon što je u prahu, još uvek je sadržao tragove metala, uključujući kobalt – koji je metal koji se često koristi u katalizi. Istraživanje je imalo za cilj da se ovi materijali baterija prenamene za upotrebu u katalitičkim procesima, sa posebnim fokusom na one koji olakšavaju proizvodnju vodonik-peroksida.
„Vodonik peroksid je jedan od osnovnih hemijskih molekula, neophodan za brojne industrije. Proizvodnja ove supstance u velikim razmerama obično zahteva visoke pritiske i temperature, skupe katalizatore i razne toksične elektrolite. Naš fokus je bio na razvoju ekološki prihvatljivije metode za proizvodnju vodonik peroksid: konkretno, elektrohemijski pristup koji koristi katalizatore izvedene iz korišćenih litijum-jonskih baterija“, objašnjava dr inž. Magdalena Varczak (PBS), vođa projekta i glavni autor članka koji detaljno opisuje ovo dostignuće.
Elektrohemijski testovi su otkrili da materijali dobijeni iz istrošenih LIB baterija, koji sadrže ugljenične nanostrukture i kobalt, pokazuju katalitička svojstva u reakciji redukcije kiseonika. Međutim, takođe je utvrđeno da ova svojstva u velikoj meri zavise od vrste uzorka, posebno njegovog sastava i strukture, na koje u velikoj meri utiče sastav kupatila za jetkanje koje se koriste za čišćenje elektroda ekstrahovanih iz litijum-jonskih baterija.
„Za potencijalne buduće primene, ključni nalaz je da smo, na osnovu podataka prikupljenih iz eksperimenata koji koriste rotirajuću elektrodu, bili u mogućnosti da odredimo broj elektrona uključenih u redukciju jednog molekula kiseonika. Elektrohemijska redukcija kiseonika može se desiti sa ili četiri ili dva elektrona, proizvodi se voda, ali sa dva elektrona dobijamo željeni vodonik peroksid.
Da bi se eliminisao potencijalni uticaj elektrode od staklastog ugljenika koja se koristi kao supstrat na rezultate, merenja su ponovljena u sistemima gde su pojedinačni prahovi baterija suspendovani između dve tečnosti koje se ne mešaju. Organska tečnost je sadržala dekametilferocen, jedinjenje koje daje elektrone u reakciji redukcije kiseonika koja se proučava.
Do redukcije kiseonika došlo je spontano na granici između tečnosti. Ove studije su potvrdile da, slično eksperimentima sa elektrodom od staklastog ugljenika, svi uzorci katalizuju reakciju redukcije kiseonika da bi se proizveo vodonik peroksid. Koncentracije vodonik-peroksida na interfejsu, merene pomoću skenirajućeg elektrohemijskog mikroskopa, bile su za jedan do dva reda veličine veće nego u sistemima bez otpada baterija.
„Litijum-jonske baterije su generalno posmatrane kao samo sekundarni izvor ugljeničnih materijala, uglavnom grafita i metala kao što su litijum, kobalt ili nikl. U međuvremenu, nalazi naše grupe jasno pokazuju da otpad iz baterija može katalizirati redukciju kiseonika u vodonik peroksid , a u budućnosti bi to moglo dovesti do njegove upotrebe u proizvodnji ovog važnog hemijskog jedinjenja“, zaključuje dr Varčak.
Vodonik-peroksid u koncentraciji od 3% prodaje se u apotekama kao dezinfekciono sredstvo za rane i upale, iako je njegova efikasnost za negu rana diskutabilna. Rastvori sa koncentracijom do 15% koriste se kao izbeljivači u proizvodima za čišćenje u domaćinstvu i kozmetici, kao što su sredstva za osvetljavanje kose. Rastvor sa oko 30% koncentracije, poznat kao vodonik peroksid, ključan je u različitim industrijama, uključujući hemijsku proizvodnju (za sintezu peroksida i kao oksidans), celulozu i papir i tekstil (kao izbeljivač), gumu (kao sirovinu) , elektronika i metal (kao sredstvo za jetkanje), i prerada hrane (kao biocidna supstanca).
Zanimljivo je da vodonik-peroksid može poslužiti i kao oksidant za goriva, uključujući i raketna goriva. Prvi put je odigrao ovu ulogu 1940-ih, kada je korišćen u ranim raketama sposobnim da pređu konvencionalnu granicu svemira. Međutim, tada njegove koncentracije nisu prelazile 80%, a tehnološka ograničenja ometala su dugoročne misije.
Nasuprot tome, pri visokim koncentracijama (98% ili više), vodonik peroksid je jedan od ekološki najprihvatljivijih pogonskih goriva. Pre samo nekoliko nedelja, prvi put je upotrebljen u ovom obliku u svemirskim letovima, pokretajući suborbitalnu raketu izgrađenu na Lukasevičevom institutu za avijaciju u Varšavi.
Buduća istraživanja će se fokusirati na povećanje efikasnosti elektrohemijskih reakcija do nivoa pogodnog za buduću industrijsku upotrebu. Budući planovi takođe uključuju istraživanje redukcije sa četiri elektrona za potencijalne primene u gorivnim ćelijama.
Tim uključuje istraživače sa Univerziteta Bidgošč za nauku i tehnologiju (PBS), Instituta za fundamentalna tehnološka istraživanja Poljske akademije nauka, Instituta za fizičku hemiju PAS u Varšavi i Univerziteta nauke i tehnologije u Vroclavu.
