成果简介

从可再生木质纤维素生物质中获得高附加值产品非常有吸引力，但仍然是一项重大挑战。木质素的高价值利用不足被认为是主要障碍之一。本文，北京化工大学张栩教授团队在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Preparation of Fe/N Double Doped Carbon Nanotubes from Lignin in Pennisetum as Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts for Zinc–Air Batteries”的论文，研究通过热解 Fe-木质素复合物和双氰胺制备的具有中空结构的 Fe/N 双掺杂碳纳米管。Fe/N双掺杂碳纳米管有望取代铂基催化剂，成为锌-空气电池中氧还原反应的高效、低成本和可持续的非贵金属电催化剂。

作为催化剂的 Fe/N 双掺杂碳纳米管表现出良好的 ORR 活性，半波电位和起始电位分别为 0.846 和 0.972 V，与最先进的20%Pt/C催化剂的ORR性能相当，催化剂也具有良好的稳定性。该催化剂的一次锌空气电池具有较高的开路电压，其良好的稳定性保证了该催化剂组装的锌空气电池在长期放电过程中仍能保持高性能。在这项工作中通过预处理获得的纤维素材料的酶促效果显著增强，并且使用分离的木质素制备多原子掺杂催化剂和锌-空气电池使这项工作展示了一种综合的生物精炼策略。该工作为木质素制备多原子掺杂碳纳米管提供了一条低成本、高效的途径，为木质素的高附加值化利用提供了良好的方向

图文导读

方案1. 狼尾草木质素合成Fe/N双掺杂催化剂用于锌-空气电池

图1. (a-b)Fe2-N/CNTs-850 °C 的SEM图像。（c-f）Fe2-N/CNTs-850 °C 的TEM图像/高分辨率TEM图像。 (g)Fe2-N/CNTs-850 °C的EDS元素映射。(h-k)Fe2 -N/CNTs-850 °C的C(h)、Fe (i)、O (j) 和 N (k) 的元素映射图像。

图2. Fe2 -N/CNTs-850 °C的拉曼图案 (a) 和拉曼映射 (b) 。

图3. BET 表面积和外表面积 (a) 和孔隙体积 (b)。

图4. 第一个和第 3000 个循环的 Pt/C 的 ORR LSV 曲线 (a)。Fe2-N/CNTs-850 °C 第一次和第 3000 次循环的 ORR LSV 曲线(b)。Fe2 -N/CNTs-850 °C 在不同扫描速率下的伏安图 (c)。Δ j拟合六个样品 (Δ j = ja – jc ) 与设定电位下的扫描速率 (+0.566 V vs RHE) (d)。

图5. Fe 2 -N/CNTs-850 °C 和 Pt/C 一次锌空气电池的开路电压 (a)，Fe 2 -N/CNTs-850 °C不同电流密度下的电池电压-时间和 Pt/C (b)，Fe 2 -N/CNTs-850 °C 和 Pt/C 一次锌空气电池 (c)的极化和功率密度曲线，以及 Fe2 -N/ CNTs的长期恒电流放电-850 °C 和 Pt/C (d)。

小结

总之，我们通过用 DES 预处理可再生木质纤维素材料狼尾草，实现了有效的木质素去除并提高了其纤维素的酶促效率。其次，我们提出了一种简单且可持续的合成方法，通过 Fe-木质素配合物的热解制备具有良好 ORR 性能的 Fe/N 双掺杂碳纳米管作为电催化剂。该催化剂具有较大的比表面积和丰富的介孔结构，提供了大量的催化活性位点。制备的催化剂在一次锌空气电池中具有更高的开路电压和更好的耐久性。该催化剂具有制备简单、成本低廉的优点，有望作为非铂催化剂在锌空气电池中得到实际应用。木质素的转化可以使可再生废物的价值最大化。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaem.1c03956