近日，東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊在柔性碳納米纖維孔隙及電子結構調控研究領域取得重要進展，相關成果以《基于海綿狀多孔碳納米纖維的多功能柔性高導電膜》(Multifunctional Flexible Membranes from Sponge-Like Porous Carbon Nanofibers with High Conductivity)為題，于2019年12月6日在線發表于國際著名期刊《Nature Communications》，該論文第一作者為紡織學院閆建華研究員，通訊作者為丁彬研究員。
多孔碳納米纖維孔隙和電子結構豐富，其不僅具有無機納米材料的小尺寸效應、優異的耐熱性和化學穩定性等，而且易于形成自支撐的薄膜，避免了因使用粘結劑所帶來的界面阻力增加和傳質效率降低的缺陷，因此在能源、傳感、環境等領域發揮巨大作用。目前制備多孔碳納米纖維的方法主要有活化法和模板法。活化法主要是用KOH或HNO3等腐蝕性化學試劑刻蝕碳納米纖維造孔，模板法主要是通過煅燒瀝青或聚丙烯腈與造孔劑的混合物而原位形成多孔碳纖維。然而，活化法通常比較復雜且存在污染和安全問題，而模板法需要消耗大量的有機溶劑。另外，應用這兩種方法制備的碳納米纖維孔隙率低、電導率低。一方面，為確保碳納米纖維膜結構的完整性，多數報道的多孔碳納米纖維孔隙率低于20%；另一方面，這些多孔碳納米纖維的電導率通常低于10s/cm。因此，如何在保持多孔碳納米纖維膜完整性的同時提高其孔隙率和電導率是一個挑戰。
基于這一問題，研究團隊開發了一種基于水系靜電紡方法和宏觀-微觀雙相分離技術，制備了具有高孔隙率和高電導率的柔性多孔碳納米纖維膜。在這項研究中，碳前驅體和造孔劑的均勻混合是控制孔隙率和電導率的關鍵因素。在這里，聚乙烯醇（PVA）、聚四氟乙烯（PTFE）顆粒和硼酸（BA）分別作為碳前驅體、大孔誘導劑、交聯劑和微孔誘導劑。其中，BA通過與PVA和PTFE進行化學交聯，形成了穩定的PVA-BA-PTFE紡絲溶膠，避免了PVA大分子的自我纏結；在280℃預氧化過程中，PVA脫氫形成共軛C＝C鍵，提高了初生纖維的穩定性；在N2中高溫熱解后，形成B-F-N三元摻雜的柔性、高電導率、通體多孔的碳納米纖維 （圖1）。通體多孔碳納米纖維中連續的碳骨架為電子傳導提供了快速通道，而三級孔隙結構（大孔-介孔-微孔，孔隙率高于80%）降低了離子、分子以及顆粒等物質的傳輸阻力，因此在氣體吸附、污水處理、液體存儲、超級電容器和電池等應用領域表現出多功能性。例如，此纖維膜具有較高的液體存儲能力和較快的亞甲基藍染料吸附能力；用此纖維膜制備的全碳對稱型超級電容器具有較高的功率密度（3.9kw/Kg）和能量密度（42.8 Wh/Kg）；當用作硫電極時，鋰硫電池在1c電流充放電情況下，容量可以達到1200mAh/g。
圖1. B-N-F三元摻雜的通體多孔碳納米纖維的制備與表征。（a）使用化學交聯靜電紡絲和高溫煅燒法合成多孔碳納米纖維的示意圖；（b）前驅體纖維膜；（c-e）依次為前驅體纖維，預氧化纖維和多孔碳納米纖維的掃描電子顯微鏡圖；（f）多孔碳納米纖維的EDS譜圖；（g）B-N-F摻雜的碳納米纖維結構模型。
該研究成果得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國防科工局雙百工藝攻關項目、上海市教委重大自然科學項目、上海市海外高層次人才項目、中國科協青年托舉項目的大力資助。（論文DOI：10.1038/s41467-019-13430-9）
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