Recycling of bio-waste sources for synthesis of functional electrode materials is an eco-friendly and sustainable approach to realize next-generation energy-storage systems. In this study, we present a fabrication method of Fe/C composite microfibers derived from electrospinning of hemoglobin blood protein, and subsequent calcination, and investigate its functionality as an oxygen electrode catalyst for Li–O₂ batteries. We elucidate the thermal decomposition behavior of raw hemoglobin protein and structural evolution after calcination at different temperatures. We successfully fabricated Fe/C composite microfibers with a uniform and flattened shape by electrospinning of a hemoglobin precursor and thermal treatment. Finally, we demonstrated that Li–O₂ cells in which the Fe/C composite microfiber catalyst was incorporated in the oxygen electrodes exhibited improved electrochemical performance compared to a pristine reference cell without the catalyst.

نمونه ترجمه مقاله:

1. مقدمه

جایگزین­های ذخیره انرژی در آینده باید قابلیت انرژی بالاتری در مقایسه با باتری­های لیتیوم-یون (Li-ion) کنونی داشته باشند (1). باتری­های لیتیوم-اکسیژن (Li-O₂) توجه قابل توجهی را به عنوان منابع نگهداری انرژی نسل بعد با توجه به تراکم انرژی نظری بالا، که قابل مقایسه با گازوئیل می­باشد به خود جلب کرده است (5-2). باتری­های Li-O₂ می­توانند با برآورده کردن نیاز­های خاص نظیر کارایی بالا، تاثیرات زیست­محیطی پایین و مقرون به صرفه بودن تحقق یابند (6). باتری­های Li-O₂ کنونی اثر تشکیل محصولات اکسید لیتیوم (به عنوان مثال LiO₂، Li₂O₂) برای خلیه و تجزیه کند برای شارژ مجدد (، V 96/2= E^o دربرابر Li/Li⁺) برگشت­پذیری پایینی را دارند­ (9-7). در نتیجه، ولتاژ اضافی بیش از 1 ولت و به دنبال آن کینتیک آهسته باید برای تحقق باتری­های Li-O₂ در نظر گرفته شود (10،11). مطالعات مختلفی به منظور غلبه بر این موارد از طریق توسعه ترکیبات کاتالیست قرار گرفته بر روی الکترودهای اکسیژن در سلول­ Li-O₂ صورت گرفته است (14-12). در این رابطه، ترکیبات کاتالیست جامد مختلفی (نظیر فلز و اکسیدهای فلزی) به منظور بهبود ویژگی­های کینتیک و برگشت­پذیری باتری ارائه شده است (3، 21-15). با این حال، جایگزین­های کالتالیست مناسب­ بیشتری باید برای تکنولوژی باتری Li-O₂ ارزان­تر و سبزتر توسعه یابند.

استفاده مستقیم از منابع طبیعی تجدیدپذیر به عنوان پیش­ساز یک رویکرد مناسب به منظور سنتز ترکیبات کاتالیستی عملکردی برای کاربردهای انرژی در آینده می­باشد (22،23). به عنوان مثال، مواد زائد زیستی خون می­تواند برای تولیدات مقرون به صرفه و دوست دار محیط زیست ترکیبات کاتالیستی مورد استفاده قرار بگیرد (28-24). نشان داده شده است که هموگلوبین، ترکیب اصلی خون، شامل چهار زیر واحد پروتئینی گلوبولار می­باشد که توسط گروه­های هم غیرپروتئینی به هم پیونده خورده­اند (29). ساختار هموگلوبین شامل گونه­ اتمی برپایه ترکیبات آلی (نظیر کربن، اکسیژن، نیتروژن، آهن و غیره) می­باشد، که می­تواند به اجزای کاتالیست­های مولکولی تغییر یابند و در نتیجه ویژگی­های عملکردی را فراهم می­کنند. از طریق کنترل کردن شرایط سنتز، مواد غیرآلی بر پایه آهن با مورفولوژی­های متناسب به صورت موفقیت آمیز از پیش­سازهای هموگلوبین قابل ساخت می­باشد (30). انتظار می­رود که ترکیبات مشتق از پروتئین خون به عنوان کاتالیست­های کارآمد برای باتری­های Li-O₂ در آینده مورد استفاده قرار بگیرد.

در این مطالعه، آماده سازی مواد میکروفیبر کامپوزیت آهن/کربن (Fe/C) با استفاده از پروتئین هموگلوبین خون گزارش شد و توانایی این ترکیبات به عنوان کاتالیست­ الکترود اکسیژن برای باتری­های Li-O₂ مورد بررسی قرار گرفت. میکروفیبرهای Fe/C به صورت موفقیت آمیز از طریق الکتروریسی محلول حاوی هموگلوبین و در ادامه تکلیس تحت شرایط احیا تهیه شد (شکل 1). در این مطالعه رفتار تجزیه گرمایی و ویژگی­های ربخت­شناسی Fe/C مشتق از منابع پیش­ساز هموگلوبین مورد بررسی قرار گرفت. علاوه براین، ویژگی­های ریخت­شناسی و ساختاری میکروفیبرهای Fe/C نیز نشان داده شد. در نهایت ویژگی­های الکتروشیمیایی میکروفیبرهای Fe/C برای تعیین فعالیت کاتالیستی به عنوان کتالیست الکترود اکسیژن بالقوه برای سلول­های Li-O₂ مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این مطالعه می­تواند برای سنتز انواع مختلفی از مواد مشتق از خون و کاربردهای آن به کار گرفته شود.