近日，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領(lǐng)的納米纖維研究團(tuán)隊(duì)在柔性碳納米纖維孔隙及電子結(jié)構(gòu)調(diào)控研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《基于海綿狀多孔碳納米纖維的多功能柔性高導(dǎo)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(fā)表于國際著名期刊《Nature Communications》，該論文第一作者為紡織學(xué)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(jié)構(gòu)豐富，其不僅具有無機(jī)納米材料的小尺寸效應(yīng)、優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等，而且易于形成自支撐的薄膜，避免了因使用粘結(jié)劑所帶來的界面阻力增加和傳質(zhì)效率降低的缺陷，因此在能源、傳感、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)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(xué)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(fù)雜且存在污染和安全問題，而模板法需要消耗大量的有機(jī)溶劑。另外，應(yīng)用這兩種方法制備的碳納米纖維孔隙率低、電導(dǎo)率低。一方面，為確保碳納米纖維膜結(jié)構(gòu)的完整性，多數(shù)報(bào)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(dǎo)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(shí)提高其孔隙率和電導(dǎo)率是一個(gè)挑戰(zhàn)。
基于這一問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于水系靜電紡方法和宏觀-微觀雙相分離技術(shù)，制備了具有高孔隙率和高電導(dǎo)率的柔性多孔碳納米纖維膜。在這項(xiàng)研究中，碳前驅(qū)體和造孔劑的均勻混合是控制孔隙率和電導(dǎo)率的關(guān)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(qū)體、大孔誘導(dǎo)劑、交聯(lián)劑和微孔誘導(dǎo)劑。其中，BA通過與PVA和PTFE進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，形成了穩(wěn)定的PVA-BA-PTFE紡絲溶膠，避免了PVA大分子的自我纏結(jié)；在280℃預(yù)氧化過程中，PVA脫氫形成共軛C＝C鍵，提高了初生纖維的穩(wěn)定性；在N2中高溫?zé)峤夂，形成B-F-N三元摻雜的柔性、高電導(dǎo)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(xù)的碳骨架為電子傳導(dǎo)提供了快速通道，而三級孔隙結(jié)構(gòu)（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(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)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(lán)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(dāng)用作硫電極時(shí)，鋰硫電池在1c電流充放電情況下，容量可以達(dá)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(xué)交聯(lián)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(qū)體纖維膜；（c-e）依次為前驅(qū)體纖維，預(yù)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(jié)構(gòu)模型。
該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國防科工局雙百工藝攻關(guān)項(xiàng)目、上海市教委重大自然科學(xué)項(xiàng)目、上海市海外高層次人才項(xiàng)目、中國科協(xié)青年托舉項(xiàng)目的大力資助。（論文DOI：10.1038/s41467-019-13430-9）
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