关键词：
废阴极无害化回收技术；炭素材料微观结构解析与材料计算；煤炭及煤矸石高值化利用；退役锂电池负极回收利用；炭素材料与铝系粉体材料的制备技术
1. 废阴极无害化回收技术
废旧阴极炭块作为铝电解工业数量最大的固体危废物对生态环境构成了严重威胁，并浪费了大量的有价石墨炭和电解质资源，如何实现废旧阴极炭块的清洁处置与资源化利用已成为铝电解工业绿色可持续发展的限制性环节。近年来，中南大学冶金与环境学院肖劲教授、仲奇凡副教授课题组围绕废旧阴极炭块的全量化回收、湿法强化浸出、多源固废的协同处置以及回收产品的二次利用方面开展了系统研究，并先后在Journal of Hazardous Materials、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Cleaner Production、Minerals Engineering、Ultrasonics Sonochemistry、Industrial & Engineering Chemistry Research等国际知名期刊上发表论文8篇，同时累计授权相关国家发明专利10余项。基于上述成果，依次构建了“基于机械活化-熔盐焙烧的废旧阴极炭块高效解毒与全量回收”、“废旧阴极炭块的超声波辅助浸出”以及“废旧阴极炭块-煤矸石酸法协同浸出制备碳化硅”等多项具有自主知识产权和工业化应用前景的关键技术（图1）。依托本研究方向先后毕业袁杰副教授及姚桢副教授两名博士研究生。
图1 “基于机械活化-熔盐焙烧的废旧阴极炭块高效解毒与全量回收”、“废旧阴极炭块的超声波辅助浸出”以及“废旧阴极炭块-煤矸石酸法协同浸出制备碳化硅”技术
2. 炭素材料微观结构解析与材料计算
炭素材料是典型的无定形碳结构，微观结构复杂，导致其宏观特性变化较大，反应机制难以预测，进而影响炭素材料的新工艺开发及材料改性。课题组现与美国宾夕法尼亚州立大学能源与矿物学院Jonathan P. Mathews教授及机械学院Adri C. T. van Duin教授合作，以典型无定形碳材料石油焦为切入点，探究了石油焦微观碳结构参数和杂质元素特性，以此为基础结合HRTEM分析建模技术构建了多尺度石油焦分子结构模型，并结合ReaxFF分子动力学及DFT计算精确预测了石油焦在多种复杂气固反应中的生成物（如氮和硫等）转化机理。现形成了系统的针对炭素材料HRTEM自动化解析微观结构建模、量化或分子动力学模拟反应特性及结合实验检测矫正与优化工艺的研究技术（图2）。基于相关研究成果先后在Carbon、Combustion and Flame、Fuel、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis和Energy & Fuels等国际知名期刊上发表论文10篇，同时累计授权相关国家发明专利3项。依托本研究方向毕业博士生仲奇凡受聘为中南大学特聘副教授。
图2 针对炭素材料的结构解析与材料模拟计算研究技术
3. 煤炭及煤矸石高值化利用
煤炭由于其价格优势被广泛用作碳材料的原料，课题组结合炭素材料的制备与应用方面存在的困境（如硫氮排放问题、经济性问题等），进行了系列项目研发，现开发出系列煤（焦）脱硫及煤基电极材料的制备技术，以达到煤炭的高值化利用目的。
煤矸石是与煤层伴生的一种含碳量低，且比煤坚硬的岩石，是煤炭生产工业中产生的最大固体废弃物。我国煤矸石的排放量约占原煤产量的10%-15%，每年排放的煤矸石约为5-7亿吨，其综合利用率不足50%。本课题组以国内某煤炭矿业废弃煤矸石和某电解铝厂排放的废阴极炭块为研究对象，用化学法分离二者中的有价成分，综合现有的处理方法和工艺，并根据煤矸石和废阴极炭块中元素组成，提出水热法联合酸浸煤矸石-废阴极炭块的工艺，充分利用了废阴极炭块特性，提高了煤矸石的分解效果，同时二者中的有价成分因进入溶液和固体残余物中得到分离，在实现两种危险废弃物中有价元素的高值化利用的同时消除了二者对环境的不利影响。固体残渣经碳热还原制备得到高纯度且高附加值的碳化硅，滤液经除杂及一系列处理可以分离制备得到冰晶石、氟化钙、氢氧化铝和氧化铝等高附加值产品（图3）。
本课题组依托该方向在国际知名期刊Journal of Cleaner Production、Hydrometallurgy和Journal of Analytical and Applied Pyrolysis等发表SCI论文5篇，申请发明专利15项，其中已授权发明专利12项，毕业博士生李发闯受聘讲师。
图3 煤矸石的高值化利用技术方案
4. 退役锂电池负极回收利用
石墨材料具有导电性能好、结晶度高、层状结构良好等优点，十分适合锂离子反复的嵌入和脱嵌，是目前应用最广泛、技术最为成熟的锂电池负极材料。近年来，随着新能源汽车市场规模和储能电池需求的不断扩大，锂离子电池的产量逐年递增，与此同时退役后的废旧锂离子电池的数量也将急速增加。目前，对于退役电池的回收技术主要集中于采用湿法浸出工艺提取正负极混合料中的锂、镍、钴、锰等有价金属元素，在此过程中，会产生一种石墨渣与部分未反应正极残余物混合在一起的炭渣，由于炭渣成分较为复杂，属于危险废弃物，目前尚没有行之有效的无害化与资源化技术方案，一般只能采取堆积废弃或高温焚烧的方式处理，不仅造成了巨大的资源浪费，还会引起严重的环境污染。
本课题组通过探明浸出废炭渣的物相赋存规律与结构特征，采用低温催化焙烧后水浸的净化除杂工艺，分别获得了纯度超过99.95%的超纯石墨粉和镍钴锰产品，金属回收率超过95%，废水废气经过蒸发浓缩结晶后又可以循环制备成催化剂，无废水废气产生，实验得到的超纯石墨粉可循环再生成石墨类负极材料，各项技术指标均能符合国家标准（GB/T 24533-2019）。本工艺具有能耗低，处理效率高，环境污染性小，资源利用率高等优势，广泛适用于各类退役锂离子电池炭渣处理的工业化应用，目前已申请国家发明专利三项。
此外，课题组还在多种炭素材料（活性炭、碳纳米管和炭黑等）与铝系粉体材料（如超细氧化铝和氮化铝等）的制备技术上进行了十余年的研发累积，期待有关单位或企业来长期交流合作。