近日，青岛科技大学刘治明教授、王朋副教授等研究人员在《ACS Nano》上发表了题为“Upcycling Spent Cathodes from Li–Ion Batteries into a High-Entropy Alloy Catalyst with Reverse Electron Transfer for Li–O2 Batteries”的论文，通过焦耳热技术从废旧锂离子电池中回收有价值金属，并成功合成高效的高熵合金催化剂，显著提升了锂-氧电池的性能，为电池回收与高效催化提供了新策略。

1.锂离子电池回收的挑战与机遇：传统上，从废旧三元锂离子电池中回收有价值金属的方法复杂且能耗高，直接将这些金属再利用于催化锂-氧（Li-O₂）电池是一个重大挑战。

2.Li-O₂电池的性能瓶颈：尽管Li-O₂电池因其高理论重量能量密度而成为研究前沿，但其实际应用却受到充放电容量衰减、倍率性能不佳以及循环寿命缩短等问题的限制。

3.催化剂开发的重要性：为解决Li-O₂电池的性能瓶颈，需开发高效催化剂以改善放电副产物过氧化锂（Li₂O₂）在重复氧化还原过程中的动力学，而铂基贵金属催化剂因其稀缺性和不稳定性，限制了其在Li-O₂电池技术中的快速发展。因此，开发一种既经济又高效的催化剂策略具有重要意义。

【研究方法】

1.废旧电池处理与金属提取：首先，将废旧电动汽车用LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂三元锂离子电池组放电至安全电压，并进行手动拆解以分离正极材料；随后，通过酸浸等步骤从正极材料中提取Ni、Co和Mn等有价值金属离子；最后，采用适当的化学方法对提取的金属离子进行分离和纯化，以获得高纯度的金属盐溶液，为后续催化剂的合成提供原料。

2.催化剂合成与表征：将提取的Ni、Co、Mn离子溶液与PtCl₆·6H₂O和N-C载体混合后，利用焦耳热技术实现快速加热-淬火，促进多元素在单相固溶体合金中的化学键合和热共还原，从而在N-C载体上原位锚定Pt HEA纳米粒子，完成催化剂的合成；随后，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）等技术，对催化剂的形貌、结构、组成和电子性质进行深入分析，以评估其催化性能。

3.电化学性能评估：将合成的Pt HEA@N-C催化剂应用于Li-O₂电池中，组装成扣式电池进行电化学性能测试；通过循环伏安法（CV）评估催化剂的氧化还原活性，通过恒流充放电测试评估电池的充放电容量、极化电压和循环寿命，以及通过电化学阻抗谱（EIS）分析电池内部的电荷转移电阻和离子扩散系数，从而全面评估催化剂在Li-O₂电池中的电化学性能。

【研究结果】

1.催化剂形貌与结构特征：成功合成了超细Pt HEA@N-C催化剂，Pt HEA纳米粒子均匀分布在N-C载体上，平均粒径约为3.36 nm。XRD和XAS结果表明，Pt HEA纳米粒子具有面心立方（fcc）结构，且Pt、Ni、Co和Mn原子在单相固溶体合金中随机分布。

2.电子结构优化与催化机制：实验和计算结果表明，在焦耳热产生的瞬时热冲击下，电子从电负性较高的Pt原子向电负性较低的Ni、Co和Mn原子反向转移，导致Pt的d带中心上移，优化了其电子结构。这种反向电子转移和高熵配位效应共同赋予了Pt HEA@N-C催化剂高度活跃的催化表面，有利于LiO₂中间产物的吸附和纳米级Li₂O₂产物的快速分解。

3.电化学性能提升：Pt HEA@N-C催化剂在Li-O₂电池中表现出优异的双功能催化活性，实现了0.27 V的超低极化电压和超过240次的优异循环寿命。与传统的Pt@N-C和NCM@N-C催化剂相比，Pt HEA@N-C催化剂在充放电容量、极化电压和循环稳定性方面均表现出显著优势。

【展望】

1.废旧电池回收再利用的拓展：未来研究可进一步探索将此方法应用于其他类型废旧锂离子电池的回收再利用。

2.高熵合金催化剂的多样化应用：未来研究可探索高熵合金催化剂在Li-CO₂电池、锌-空气电池和水分解等电催化领域的应用。

3.催化剂构效关系的深入研究：未来研究可通过系统的实验设计和理论计算，揭示高熵合金催化剂的构效关系。