【材料】ACS Mater. Lett.┃碳纳米管中毛细驱动形成铁纳米颗粒用以催化Li-CO2反应- 大数跨境

【材料】ACS Mater. Lett.┃碳纳米管中毛细驱动形成铁纳米颗粒用以催化Li-CO2反应

X-MOL资讯

2021-05-27

导读：近日，韩国淑明女子大学的Won-Hee Ryu课题组报道了通过毛细作用在血红蛋白溶液中将铁（Fe）纳米颗粒嵌入氮掺杂碳纳米管（N-doped CNT）合成Fe NPs@N-CNT的策略。

英文原题：Capillary-Driven Formation of Iron Nanoparticles Embedded in Nanotubes for Catalyzed Lithium–Carbon Dioxide Reaction

通讯作者：Won-Hee Ryu, Sookmyung Women's University

作者：Hyun-Soo Kim, Jae-Yun Lee, Jung-Keun Yoo, and Won-Hee Ryu

对化石燃料需求的不断增加，使得温室效应和气候变化成为严重的全球问题。碳捕获和储存（CCS）被认为是缓解二氧化碳排放带来的环境问题的解决方案。因此，采用环保、易于控制、经济高效的方法在CCS技术上取得突破至关重要。锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池电化学CCS平台在储能和碳固定方面具有优势。CO₂阴极材料具有更高的能量密度，可以满足储能与储碳的需求。然而，充放电过程中放电产物的分解动力学提高了Li-CO₂电池的超电势，影响了电池的使用寿命。生物废料是一种可持续的、环保的、可生物降解的催化材料来源，例如废弃血液中的血红蛋白。血红蛋白可作为原料和前驱体，以合成Li-CO₂电池相关的催化剂。

图1. 从血红蛋白中催化合成Fe NPs@N-CNT的示意图

来自韩国淑明女子大学的Won-Hee Ryu课题组报道了通过毛细作用在血红蛋白溶液中将铁（Fe）纳米颗粒嵌入氮掺杂碳纳米管（N-doped CNT）合成Fe NPs@N-CNT的策略，通过血红蛋白分子合成含铁纳米颗粒氮掺杂碳纳米管作为催化剂，以及其作为高效Li-CO₂电池电极的潜力。

图2. CNT、Hb/CNT和Fe NPs@N-CNT的表征

作者通过简单而新颖的基于毛细作用的方法混合血红蛋白-碳纳米管（Hb/CNT）溶液，使血红蛋白溶液扩散进入碳纳米管孔隙，并成功通过热处理焙烧，形成平均直径约5 nm的Fe纳米颗粒嵌入CNT中。此外，血红蛋白中的氮原子被掺杂进CNT中，提高了电导率。

图3. CNT和Fe NPs@N-CNT的SEM，TEM，SAED及EDS表征

TEM和SEM表明CNT和Fe NPs@N-CNT具有相似的形状和大小，不含血红蛋白残留和杂质。固定在CNT内部管壁中的Fe纳米粒子具有不同的形态，其大小不超过20 nm。选区电子衍射（SAED）、能量色散X射线能谱（EDS）确认了其元素构成。

图4. Fe NPs在CNT中形成机理研究

作者通过对Fe NPs@N-CNT在不同焙烧温度下的形貌和结构的观察，阐明了不同热力学条件下Fe纳米颗粒通过毛细作用在CNTs中生成的机理。作者猜想铁元素来源于血红蛋白通过CNT管壁扩散进入CNT或者血红蛋白溶液通过过滤过程进入CNT管内。不同温度处理下的CNT通过非原位TEM进行观察，证实铁元素来源于通过毛细作用进入CNT的血红蛋白，血红蛋白在TEM电子束或热处理下在管内形成Fe纳米粒子。

图5. 带有CNT电极或Fe NPs@N-CNT电极的Li-CO₂电池性能测试

和普通电池相比，含Fe NPs@N-CNT催化剂的Li-CO₂电池具有三倍的的充放电容量、更低的超电势和更稳定的循环性能。通过非原位表征，作者确认碳酸锂产物的可逆生成与分解。此外，Fe NPs@N-CNT在充放电过程中发生可逆的氧化还原和相变，通过形成Fe-O-C化学键在Li-CO₂反应中作为催化剂。这项研究侧重于合理设计催化剂包埋的纳米管复合材料，提出了一种简单有效的方法，利用毛细作用将纳米粒子嵌入纳米管中，这种方法可在纳米材料合成中广泛应用。此外，作者还提出了利用回收天然材料开发能源和环境相关绿色催化剂的新方法。