Metoda pozyskania nadtlenku wodoru z odpadów z baterii litowo-jonowych

Dzięki badaniom polskich chemików ze zużytych baterii litowo-jonowych będzie można w przyszłości produkować nadtlenek wodoru. Znajduje on zastosowanie w wodzie utlenionej, wybielaczach, a nawet w paliwie do rakiet.

Chemicy z Politechniki Bydgoskiej im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich (PBŚ) wspólnie z naukowcami z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk oraz Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Politechniki Wrocławskiej badali zastosowanie materiałów ze zużytych baterii w procesach katalitycznych, zwłaszcza umożliwiających produkcję nadtlenku wodoru. Wyniki badań zaprezentowali na łamach czasopisma „ChemElectroChem”.

– Nadtlenek wodoru to jedna z podstawowych cząsteczek chemicznych, istotna w wielu gałęziach przemysłu. Dotychczas baterie litowo-jonowe traktowano jako wtórne źródło materiałów węglowych – głównie grafitu – oraz metali, takich jak lit kobalt czy nikiel. Tymczasem wyniki naszej grupy jednoznacznie dowodzą, że odpady bateryjne katalizują redukcję tlenu do nadtlenku wodoru i w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie przy produkcji tego ważnego związku chemicznego – zaznacza kierownik projektu dr inż. Magdalena Warczak (PBŚ), pierwsza autorka artykułu opisującego osiągnięcie, cytowana na stronach uczelni.

Do czego potrzeba nam nadtlenku wodoru?

Nadtlenek wodoru w stężeniu 3% jest dystrybuowany w aptekach jako woda utleniona i stosowany w stanach zapalnych oraz do dezynfekcji ran, choć w tym ostatnim przypadku jego działanie jest kwestionowane.

„Roztwory o stężeniach do 15% to wybielacze używane w chemii gospodarczej oraz kosmetyce, w tym do rozjaśniania włosów. Z kolei roztwór o stężeniu ok. 30%, czyli perhydrol, odgrywa istotną rolę w przemysłach chemicznym (przy syntezie nadtlenków oraz jako utleniacz), celulozowo-papierniczym i tekstylnym (jako wybielacz), gumowym (jako surowiec), elektronicznym i metalowym (jako substancja trawiąca), a także spożywczym (jako preparat biobójczy)” – podano w komunikacie uczelni.

Nadtlenek wodoru może być utleniaczem paliw, w tym rakietowych. W pierwszych rakietach zdolnych przekraczać umowną granicę kosmosu zastosowano go na początku lat 40. ubiegłego wieku. Jak podano w informacji uczelni, „wtedy jego stężenia nie przekraczały jednak 80%, a ograniczenia technologiczne uniemożliwiały realizację długotrwałych misji. Tymczasem w wysokich stężeniach (98% i więcej) nadtlenek wodoru jest jednym z najbardziej ekologicznych materiałów pędnych”. Po raz pierwszy do lotu w kosmos użyto go w takiej postaci na początku lipca w rakiecie suborbitalnej zbudowanej w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa w Warszawie.

Z korzyścią dla środowiska

Podstawą do badań bydgoskich chemików był materiał węglowy otrzymany z elektrod wyjętych ze zużytych baterii litowo-jonowych (lithium-ion batteries, LIB). Jak czytamy w komunikacie uczelni, elektrody te poddano procesowi kwaśnego ługowania w celu odzyskania wartościowych metali. W zależności od warunków eksperymentalnych tak otrzymany materiał węglowy był mniej lub bardziej wytrawiony i po sproszkowaniu nadal zawierał niewielkie domieszki metali, w tym kobaltu – pierwiastka, którego związki są często stosowane w katalizie.

Jak zaznaczyła dr inż. Warczak, cytowana w komunikacie, „w procesie wytwarzania nadtlenku wodoru na dużą skalę niezbędne są wysokie ciśnienia i temperatury, drogie katalizatory i szereg toksycznych elektrolitów”. Jednak badacze zainteresowali się elektrochemiczną metodą produkcji nadtlenku wodoru z katalizatorami pochodzącymi właśnie ze zużytych baterii litowo-jonowych, która jest znacznie bardziej przyjazną dla środowiska metodą produkcji nadtlenku wodoru.

„Badania elektrochemiczne wykazały, że materiały odzyskane ze zużytych baterii LIB dzięki zawartości nanostruktur węglowych oraz kobaltu wykazują właściwości katalityczne względem reakcji redukcji tlenu” – zaznaczono w komunikacie. Okazało się jednocześnie, że właściwości te w istotnym stopniu zależą od rodzaju próbki, jej składu i struktury, a zatem głównie od składu kąpieli trawiących stosowanych przy oczyszczaniu elektrod wyjętych z baterii litowo-jonowych.

Pożądana redukcja dwuelektronowa

– Dla potencjalnych przyszłych zastosowań kluczowy jest jednak fakt, że na podstawie danych zebranych w doświadczeniach z tzw. elektrodą wirującą udało się nam wyliczyć, ile elektronów bierze udział w reakcji redukcji jednej cząsteczki tlenu. Elektrochemiczna redukcja tlenu może bowiem przebiegać z udziałem czterech lub dwóch elektronów. W pierwszym przypadku produktem jest woda, za to w tym drugim będzie to pożądany przez nas nadtlenek wodoru. My redukcję dwuelektronową zaobserwowaliśmy na wszystkich badanych próbkach – tłumaczy dr inż. Warczak.

W ostatnich czterech latach światowe zużycie baterii litowo-jonowych wzrosło aż dwukrotnie, generując olbrzymie ilości odpadów bateryjnych, zawierających wiele szkodliwych substancji.

Jak podała uczelnia, badania nad wytwarzaniem nadtlenku wodoru za pomocą materiałów węglowych otrzymanych ze zużytych baterii litowo-jonowych, dotychczas finansowane z grantu „Sonata” Narodowego Centrum Nauki, będą kontynuowane, głównie z myślą o zwiększeniu wydajności reakcji elektrochemicznych do poziomu pozwalającego na wdrożenia przemysłowe w przyszłości. W dalszych planach znajdują się prace nad redukcją czteroelektronową pod kątem zastosowań w ogniwach paliwowych.

Źródło: naukawpolsce.pl/amk/agt

Czytaj także: Nowatorska metoda wytwarzania nanomateriału