静电纺丝技术制备具有可调几何结构的分层多孔碳纳米纤维

东华大学闫建华：静电纺丝技术制备具有可调几何结构的分层多孔碳纳米纤维

DOI: 10.1021/acsami.1c12302

多孔碳纳米纤维（PCNFs）具有丰富的离子、分子和纳米粒子传输通道，但对其多孔结构的控制仍然是一项挑战。在本研究中，以聚四氟乙烯为孔模板，硼酸为交联剂，聚乙烯醇和聚氨酯为双碳前体，通过一种可扩展的静电纺丝技术制备了具有可调几何形状和大/中/微孔结构的柔性PCNF。在水溶剂中，带负电的模板与带正电的碳前驱体交联，形成用于静电纺丝的稳定溶胶。通过改变这些前体的质量比，电纺杂化纳米纤维在碳化后直接转化为B-F-N-O掺杂的PCNFs，具有可调节的大孔、中孔和微孔。单根PCNF的孔隙率高达85%，孔体积可在0.23至0.58 cm3·g-1之间调节。当使用独立的PCNF薄膜构建高硫含量（86wt%）电极时，具有丰富电活性位点的多孔结构为聚阴离子提供了快速通道，并对多硫化物具有较强的化学吸附，从而产生了良好的电化学性能。本文所报告的策略为合成多用途的分层PCNFs提供了新的视角。

图1.材料制备过程示意图。使用通用静电纺丝技术以及随后的预氧化和碳化工艺来制备具有丰富缺陷和分层大/中/微孔的柔性PCNF的示意图。

图2.材料表征。（a-c）不同PCNFs的扫描电子显微镜（SEM）图像和（d,e）N2吸附-解吸等温线。（f）不同孔隙的体积分数。（g）不同PCNFs的微孔面积和外表面积。（h）不同PCNFs的累积孔体积和（i）平均孔径。

图3.分层孔隙形成机理及材料表征。（a）使用分子设计策略在PCNFs中形成分层多孔结构的概貌。（b）PCNF薄膜的横截面SEM图像和数码照片。（c）PCNFs的表面形态，（d）TEM图像和（e）EDS映射光谱。（f）PCNFs的N1s和（g）B1s XPS光谱。

图4.Li-S电池的电化学性能分析和化学吸附机理。（a-b）多硫化物在H型电池中渗透的捕获照片，该电池以PCNF薄膜为隔膜。（c）在0.1mV·s-1下进行五次循环的连续CV测试。（d）0.5C下的恒电流放电和充电曲线。（e）循环前和在0.5C下循环50次后电池的EIS谱。（f）0.1至4C的额定容量。（g）在2C下进行200次放电和充电循环的长期稳定性测试。（h）多硫化物在具有独特多孔结构和缺陷的PCNF笼中的强化学吸附示意图。

静电纺丝纳米材料的特点：

1.表面与界面效应

2.小尺寸效应

3.量子尺寸效应

4.宏观量子隧道效应

5.电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性

6.静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点

7.具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率

8.静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。有其他关于静电纺丝问题可以网上咨询一下永康乐业。

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