中國粉體網(wǎng)訊 目前，電化學(xué)發(fā)電及其儲(chǔ)能裝置利用電化學(xué)反應(yīng)能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能，因其具有電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高、易小型化、環(huán)境友好以及安全等特點(diǎn)受到了廣泛重視。電化學(xué)發(fā)電及其儲(chǔ)能系統(tǒng)包括超級(jí)電容器、燃料電池及鋰離子電池等。在這些電化學(xué)發(fā)電及其儲(chǔ)能裝置中，活性材料作為電極參加電化學(xué)反應(yīng)，其電化學(xué)性能和使用穩(wěn)定性直接影響著電化學(xué)體系的性能優(yōu)劣，因此成為研究的重點(diǎn)之一。
碳材料作為電化學(xué)電極活性材料，其具有大比表面積、高導(dǎo)電率、種類廣泛、易制備、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換方面受到了廣泛關(guān)注。碳納米纖維在電極材料、傳感器、纖維復(fù)合增強(qiáng)材料、催化劑載體、納米光電材料、重金屬離子吸附、儲(chǔ)氫等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
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一、碳納米纖維
碳納米纖維（簡稱 CNFs）是由多層石墨片卷曲而成的纖維狀納米碳材料。它的直徑一般在10nm-500nm，長度約為0.5μm-100μm，是介于普通碳纖維和碳納米管之間的一維碳材料。因此，碳納米纖維不僅具有普通碳纖維材料的優(yōu)點(diǎn)，還具有碳納米管材料的結(jié)構(gòu)緊密，比表面積大，熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。一維碳納米纖維由于其較高的導(dǎo)電性，較低的成本以及較高的比表面積而被認(rèn)為是最具潛力的電極材料，制備不同結(jié)構(gòu)的碳納米纖維是成功制備鋰／鈉離子電池負(fù)極材料的重要因素。
二、碳源的材料
可作為碳源的材料有許多，包括聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚酰亞胺（PI）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、瀝青等，其中聚丙烯腈的使用最為廣泛。一般由高分子聚合物為碳源得到的原絲須經(jīng)過預(yù)氧化、碳化處理兩個(gè)過程使分子環(huán)化結(jié)構(gòu)能夠重新組合，進(jìn)一步形成性能穩(wěn)定的碳納米纖維。以聚丙烯腈作為碳源時(shí)，為了使纖維能夠保持形貌和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在熱處理時(shí)要增加一個(gè)低溫穩(wěn)定過程。
三、碳納米纖維制備方法
碳納米纖維的制備方法有許多種，主要包含化學(xué)氣相沉積法、固相合成法、靜電紡絲法、模板法、生物制備法等。靜電紡絲法是目前最為常用的方法，其不僅在常溫下可紡，原料來源廣，還能夠直接、連續(xù)地制備聚合物納米纖維。
（1）化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法是在特定的溫度下（500℃-1000℃），利用價(jià)廉的烴類化合物為原料，使用鐵等過渡金屬作為催化劑使烴類化合物發(fā)生熱分解來制得碳納米纖維的方法。依據(jù)使用的催化劑種類和分散狀態(tài)的不同，可以分為基體法、氣相流動(dòng)催化劑法、噴淋法和等離子化學(xué)氣相沉積法。
基體法：將納米級(jí)催化劑顆粒（多數(shù)為Fe、Ni、Co等過渡金屬）均勻地散布在陶瓷或者石墨基體上，依據(jù)催化劑的催化活性選取恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度，在高溫條件下通入烴類氣體熱解，使其發(fā)生分解并且析出碳納米纖維。
氣相流動(dòng)催化劑法：氣相生長反應(yīng)需要較高的溫度，制得的納米纖維是無規(guī)則排列的短纖維樣品。與在純H2中制得的碳納米纖維相比較，其表面形貌更為粗糙，具有更好的石墨化結(jié)構(gòu)。氣相流動(dòng)催化劑法能夠提高碳原子與催化劑發(fā)生碰撞的概率和增加接觸時(shí)間，進(jìn)一步提高碳源的轉(zhuǎn)化率，使單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量提升。
噴淋法：將納米級(jí)催化劑顆粒以液態(tài)的形式摻入苯等有機(jī)溶劑中，通過噴嘴將其噴淋到高溫反應(yīng)室中，再通過催化分解有機(jī)溶劑進(jìn)一步制得納米纖維。
等離子化學(xué)氣相沉積法：利用氣體輝光放電所產(chǎn)生的低溫等離子體（非平衡等離子體）來增強(qiáng)反應(yīng)物的化學(xué)活性，使氣體間的化學(xué)反應(yīng)速度加快，從而在較低的沉積溫度下形成固態(tài)薄膜的過程。
（2）固相合成法
與以前使用單一的液態(tài)或氣態(tài)碳源的合成方法有所不同，該方法是在催化劑前驅(qū)體（如Fe、Co等）的作用下，利用固相碳源（如炭黑、石墨等）作為原材料，在高溫條件下碳化碳的規(guī)則生長來制備碳納米纖維的。
（3）靜電紡絲法
靜電紡絲法是一種利用靜電場力將聚合物溶液或熔體轉(zhuǎn)換成一維納米材料的技術(shù)。與其他方法相比較，靜電紡絲法能夠簡單、快速且可以連續(xù)地制備納米纖維薄膜。靜電紡絲技術(shù)廣泛應(yīng)用于制備納米纖維，包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和環(huán)氧乙烷（PEO）。聚合物納米纖維可以通過調(diào)控前驅(qū)體溶液和靜電紡絲參數(shù)，在惰性氣體中碳化制得不同結(jié)構(gòu)的CNFs。靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，過濾領(lǐng)域，傳感器領(lǐng)域，催化領(lǐng)域以及儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。
（4）模板法
基于模板法制備的聚合物納米纖維己被廣泛研究�；谀０宸ㄖ苽銫NFs一般有兩種合成路徑：一種常用的流行路線是硬模板法，另一種是以溶液為基礎(chǔ)，通過模板組裝路線合成一維的聚合物納米纖維，碳化后制得CNFs。
（5）生物制備法
生物質(zhì)也可以用來制備CNFs�；谏镔|(zhì)法制備的CNFs的主要路線是有機(jī)聚合物納米纖維的碳化，如細(xì)菌纖維素等。細(xì)菌纖維素是一種有機(jī)化合物（（C6H10O5)n），其由細(xì)菌產(chǎn)生的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。經(jīng)過碳化后細(xì)菌纖維素形成的CNFs網(wǎng)絡(luò)可作為電極材料應(yīng)用于儲(chǔ)能設(shè)備。
四、碳納米纖維在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
（1）碳納米纖維在鋰離子電池負(fù)極材料上的應(yīng)用
鋰離子電池的性能在很大程度上取決于鋰離子電池負(fù)極材料。目前，對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的研究重點(diǎn)集中在增加能量密度、改善首次庫倫效率和提高循環(huán)穩(wěn)定性等幾個(gè)方面。碳納米纖維因其具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性能而受到青睞，一方面，碳納米纖維材料大大提高了材料的導(dǎo)電性能；另一方面，碳納米纖維材料的表面有較多的晶體缺陷，這為在負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)提供了良好的反應(yīng)活性位點(diǎn)。因此，碳納米纖維材料在鋰離子電池負(fù)極上具有廣泛的應(yīng)用。
周榮鑫等在預(yù)氧化條件為250℃、120 min，碳化條件為800℃、120min條件下制得的碳納米纖維具有較好的形貌特征及化學(xué)性能，平均直徑為190nm，碳結(jié)構(gòu)更加有序，碳含量達(dá)到73.7%。通過組裝鋰離子電池測試電池充放電性能，得到在100mA/g的電流密度下，放電比容量達(dá)到568.4mAh/g，經(jīng)過100圈循環(huán)后容量保持率達(dá)77.3%，具有較好的充放電性能和循環(huán)性能。
（2）碳納米纖維在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用
電極材料的導(dǎo)電性能在很大程度上決定著超級(jí)電容器的功率密度及大電流密度下的充放電性能，碳納米纖維材料擁有普通碳材料的高強(qiáng)度和紡織物的易加工性能，因此可將其作為增強(qiáng)材料和基底材料進(jìn)而得到高性能的納米復(fù)合材料。
將碳納米管、活性碳、石墨烯等導(dǎo)電性良好的碳材料復(fù)合到納米纖維的表面，能夠提高納米材料的充放電性能。此外，多孔碳納米纖維不僅具有比表面積大、孔隙率高、長徑比大等特性，還具有良好的導(dǎo)電性、高的比模量、高的穩(wěn)定性、較低的密度以及較高的強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高電極材料的比電容，是作為超級(jí)電容器電極材料的理想選擇。
（3）碳納米纖維在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用
在構(gòu)筑電化學(xué)傳感器件時(shí)，傳感器的性能很大程度上取決于電極材料的選擇。研究表明，由組分單一的材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器很難滿足對(duì)檢測的要求，因此需要利用復(fù)合材料來構(gòu)建電化學(xué)傳感器，通過復(fù)合材料的協(xié)同作用能夠提高電化學(xué)傳感性能。由于碳納米纖維具有較大的比表面積和良好的生物相容性，且其本身具有電催化活性，也可負(fù)載金屬、金屬氧化物等其它具有催化活性的成分，所以不僅增加了材料的導(dǎo)電性，也可以避免負(fù)載材料發(fā)生氧化和團(tuán)聚的現(xiàn)象，進(jìn)而構(gòu)筑具有優(yōu)異性能的電化學(xué)傳感器。
小結(jié)：
目前，制備納米纖維的方法有許多，但大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室水平。由于碳納米纖維的特點(diǎn)完全契合電化學(xué)反應(yīng)中對(duì)材料電子/物質(zhì)傳輸速度快、活性位點(diǎn)密度大以及化學(xué)穩(wěn)定性高的要求，因此在電化學(xué)領(lǐng)域有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。而基于碳納米纖維非常廣闊的應(yīng)用前景，如何更進(jìn)一步優(yōu)化碳納米纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)是十分必要的。
參考來源：
潘新穎：靜電紡絲法制備碳納米纖維及其電化學(xué)性能研究
薛云艷：基于靜電紡絲的碳納米纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與儲(chǔ)能應(yīng)用
周榮鑫，葛燁倩.碳納米纖維負(fù)極材料制備及其電化學(xué)性能
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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