Простая подготовка нанофибров с функциональными группами имидазола для удаления кобальта из отработанных литий-ионных аккумуляторов

Превращая старые батареи в городские руды

Современная жизнь работает на литий-ионных аккумуляторах — от телефонов до электромобилей. Когда эти батареи выходят из строя, они могут выделять токсичные металлы, но при этом содержат ценные элементы, такие как кобальт. В этом исследовании рассматривается новый материал для фильтров, сделанный из ультратонких пластиковых волокон, украшенных крошечными кольцевыми молекулами. Вместе они действуют как «умная» губка, способная извлекать кобальт из сложных жидких отходов от использованных батарей, помогая сделать переработку батарей чище и эффективнее.

Почему кобальт важен в мире, работающем на батареях

По мере роста числа электромобилей и портативных устройств увеличивается и количество отработанных литий-ионных батарей. Если такие батареи просто выбрасывать, металлы вроде кобальта могут загрязнять почву и воду. В то же время эти металлы дороги и конечны, поэтому старые батареи можно рассматривать как своеобразную искусственную руду или «городскую шахту». Восстановление кобальта особенно важно, поскольку он дефицитен, дорог и используется во многих популярных конструкциях аккумуляторов. Существующие методы переработки умеют разделять металлы, но часто требуют больших объёмов реагентов, работают медленно или с трудом выделяют кобальт среди похожих металлов, таких как литий, никель и марганец. Нужны более избирательные материалы, которые могли бы захватывать много кобальта и игнорировать преимущественно другие металлы.

Создание «умного» фильтра из тончайших волокон

Исследователи сосредоточились на нанофибрах — пластиковых нитях в тысячи раз тоньше человеческого волоса, которые образуют пористый мат. Они начали с распространённого полимера полиакрилонитрила, который легко прядётся в волокнистые полотна и уже используется в фильтрах. Сам по себе этот материал слабо взаимодействует с кобальтом. Команда преобразовала его, добавив специальные химические группы в два простых шага. Сначала закрепили гибкие «руки», богатые атомами азота. Затем к этим рукам прикрепили маленькие кольцевые фрагменты, называемые имидазолами. Эти кольца содержат атомы азота, которые особенно хорошо сцепляются с ионами кобальта. Микроскопия и спектроскопия подтвердили, что волокна сохранили структуру, стали более шероховатыми и пористыми, и были равномерно покрыты азотсодержащими участками, которые могут служить «стойками причаливания» для кобальта.

Как новые волокна улавливают и удерживают кобальт

Когда модифицированный мат из волокон поместили в воду с растворённым кобальтом, он быстро впитал металл и удержал его в большом количестве относительно собственной массы. Детальные тесты показали, что поглощение соответствует модели, при которой на поверхности волокна образуется один слой ионов кобальта, заполняющий набор эквивалентных связывающих участков, с максимальной загрузкой примерно 95 миллиграммов кобальта на грамм материала. Процесс достигал большей части ёмкости в течение пары часов и согласовывался с моделями, в которых скорость определяется химическим связыванием, а не простым адсорбционным прилипанием к поверхности. Измерения при разных температурах и другие данные указывали на то, что ионы кобальта частично теряют свою водную оболочку и образуют устойчивые комплексы с атомами азота на имидазольных кольцах и соседних химических связях, высвобождая воду и приобретая более упорядоченное соединение с волокном.

Выбор кобальта вместо лития и долговечность для многократного использования

Ключевая проблема в реальной переработке батарей — выбор кобальта из смеси, где также много лития. В параллельных испытаниях новые нанофибры заметно отдавали предпочтение кобальту: они захватывали почти в двадцать раз больше кобальта, чем лития, из смесей, похожих на те, что получают при растворении батарей в кислоте, а рассчитанный коэффициент селективности кобальта по отношению к литию был очень высоким. После насыщения кобалтом материал можно было восстановить мягкой кислотной промывкой. Даже после шести циклов использования и очистки волокна сохраняли более четырёх пятых своей первоначальной ёмкости. Такая долговечность в сочетании с высокой ёмкостью и сильной селективностью по кобальту делает материал многообещающим для повторного использования в проточных фильтрах или в засыпных колоннах.

Шаг к более чистому и циркулярному использованию батарей

В практическом плане исследование демонстрирует способ превратить обычный пластиковый фильтр в высокоизбирательный «магнит для кобальта» с помощью простой, масштабируемой химии. Соединяя быстрый поток и большую площадь поверхности матов из нанофибр с кольцевыми молекулами, которые естественно склонны к захвату кобальта, исследователи создали инструмент, способный помочь извлекать этот критический металл из сложных потоков отходов батарей. При адаптации и испытаниях на жидкости заводского масштаба аналогичные «умные» фильтры могли бы поддержать более циркулярную экономику батарей, в которой ценные металлы улавливаются и повторно используются, а не теряются на свалках.

Цитирование: Sun, H., Shi, S., Li, Z. et al. Facile Preparation of imidazole-functionalized nanofibers for Cobalt removal from spent lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 6884 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38276-2

Ключевые слова: переработка батарей, восстановление кобальта, нанофибровые фильтры, очистка сточных вод, критические металлы