一种钴基生物材料及其制备方法和应用

本发明涉及电催化，尤其涉及一种钴基生物材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、科技和社会的持续进步使得锂离子电池在现代生活中占据了重要地位，被广泛应用于电子设备和电动汽车等领域。然而，使用完毕的废旧锂离子电池大量进入废弃物处理系统，导致严重的环境问题。废旧锂离子电池不仅包含有害物质，如果处理不当，还易造成环境污染，引发健康与安全隐患。

2、目前，废旧锂离子电池的回收被视为关键技术，然而人们往往忽略了废旧锂离子电池作为原材料制备出高利用价值的新材料的可能性。电池中蕴含大量宝贵的金属元素如锂、镍、钴等，如果能有效再利用，可以减少对这些元素的新开采，推动资源的可持续利用。

3、在现代能源转型和储能领域，电解水制氢(her)和电解水制氧(oer)作为一种清洁、可再生的能源生产方式备受关注。工业生产中，催化活性材料多为pt、ruo2等贵金属，由于其成本高，易失活，故寻找可代替的高性能高稳定性，价格低廉的材料具有挑战性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钴基生物材料及其制备方法和应用。本发明能够将废旧锂离子电池阴极材料直接转化为可用作碱性条件下电解水制氢气(her)和氧气(oer)的双功能钴基生物材料，实现了废弃物的再利用，减少了环境污染，同时制备出氢气和氧气。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种钴基生物材料的制备方法，包括以下步骤：

4、利用盐酸溶液和过氧化氢溶液的混合液对废旧锂离子电池的阴极材料进行第一浸渍，得到阴极材料浸出液；所述阴极材料中含钴；

5、采用液体培养基培育黑曲霉真菌，获得黑曲霉可溶性胞外聚合物；所述黑曲霉可溶性胞外聚合物的ph值呈碱性；

6、将所述黑曲霉可溶性胞外聚合物涂覆到载体上，干燥，得到黑曲霉可溶性胞外聚合物改性的生物基载体；所述载体包括泡沫镍或泡沫铁镍；

7、将所述黑曲霉可溶性胞外聚合物改性的生物基载体置于阴极材料浸出液中进行第二浸渍，浸出液中的co被负载到生物基载体上，取出，得到所述钴基生物材料。

8、优选的，所述盐酸溶液的浓度为0.1～1mol·l-1，所述过氧化氢溶液的质量浓度为30％；所述盐酸溶液和过氧化氢溶液的体积比为(8～12):(0.45～0.55)。

9、优选的，所述第一浸渍的温度为25～35℃，时间为8～12h。

10、优选的，所述液体培养基为马铃薯葡萄糖液体培养基；所述培育的温度为28～37℃，时间为14～21天。

11、优选的，所述黑曲霉可溶性胞外聚合物的获取包括：将培育完成后的液体培养基在8000～10000rpm的条件下离心，分离菌球和上清液；将所述上清液通过0.22～0.26μm滤膜过滤，得到黑曲霉可溶性胞外聚合物。

12、优选的，所述黑曲霉可溶性胞外聚合物在载体上的涂覆量为100～200μl/cm2。

13、优选的，所述第二浸渍的温度为25～35℃，时间为4～10h。

14、优选的，所述废旧锂离子电池包括钴酸锂电池。

15、本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的钴基生物材料。

16、本发明提供了上述方案所述钴基生物材料在碱性条件下电解水制氢或在碱性条件下电解水制氧中的应用。

17、本发明提供了一种钴基生物材料的制备方法，包括以下步骤：利用盐酸溶液和过氧化氢溶液的混合液对废旧锂离子电池的阴极材料进行第一浸渍，得到阴极材料浸出液；所述阴极材料中含钴；采用液体培养基培育黑曲霉真菌，获得黑曲霉可溶性胞外聚合物；所述黑曲霉可溶性胞外聚合物的ph值呈碱性；将所述黑曲霉可溶性胞外聚合物涂覆到载体上，干燥，得到黑曲霉可溶性胞外聚合物改性的生物基载体；所述载体包括泡沫镍或泡沫铁镍；将所述黑曲霉可溶性胞外聚合物改性的生物基载体置于阴极材料浸出液中进行第二浸渍，浸出液中的co被负载到生物基载体上，取出，得到所述钴基生物材料。

18、本发明针对已报废锂离子电池，充分利用黑曲霉可溶性胞外聚合物的表面活性及调控ph的特性，将废旧锂离子电池阴极材料转化为高价值的催化剂(钴基生物材料)，同时改变了催化界面的电子结构，降低了反应过电位，提升了催化剂的稳定性。本发明为废旧锂离子电池回收利用及清洁能源的产生提供了新思路。

19、相比现有的废旧锂离子电池再利用方法，本发明表现出以下优势：第一，废旧锂离子电池及黑曲霉的成本低廉，且回收率高，几乎无环境污染，实现清洁生产；第二，黑曲霉真菌易获取，易培育，黑曲霉胞外聚合物易提取；第三，所制备的钴基生物材料具有优异的催化活性和稳定性，钴基生物材料在oer(电流密度为10ma·cm2时，过电位最高为251mv)和her(电流密度为10ma·cm2时，过电位最高为110mv)方面性能略优于其他回收再利用方法制备的材料(热辐射法，低共熔法等)，并且具有更好的稳定性(50h)；第四，实现废旧锂离子电池阴极材料的循环利用，具有良好的经济效益，为废旧锂离子电池回收市场开拓新思路。

技术特征：

1.一种钴基生物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为0.1～1mol·l-1，所述过氧化氢溶液的质量浓度为30％；所述盐酸溶液和过氧化氢溶液的体积比为(8～12):(0.45～0.55)。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一浸渍的温度为25～35℃，时间为8～12h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液体培养基为马铃薯葡萄糖液体培养基；所述培育的温度为28～37℃，时间为14～21天。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述黑曲霉可溶性胞外聚合物的获取包括：将培育完成后的液体培养基在8000～10000rpm的条件下离心，分离菌球和上清液；将所述上清液通过0.22～0.26μm滤膜过滤，得到黑曲霉可溶性胞外聚合物。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述黑曲霉可溶性胞外聚合物在载体上的涂覆量为100～200μl/cm2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二浸渍的温度为25～35℃，时间为4～10h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述废旧锂离子电池包括钴酸锂电池。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的钴基生物材料。

10.权利要求9所述钴基生物材料在碱性条件下电解水制氢或在碱性条件下电解水制氧中的应用。

技术总结本发明提供了一种钴基生物材料及其制备方法和应用，涉及电催化技术领域。本发明针对已报废锂离子电池，充分利用黑曲霉可溶性胞外聚合物的表面活性及调控pH的特性，将废旧锂离子电池阴极材料转化为高价值的催化剂，同时改变了催化界面的电子结构，降低了反应过电位，提升了催化剂的稳定性。本发明为废旧锂离子电池回收利用及清洁能源的产生提供了新思路。技术研发人员：屈庆,葛琳,李蕾受保护的技术使用者：云南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9