中國粉體網(wǎng)訊 目前，電化學發(fā)電及其儲能裝置利用電化學反應能夠將化學能直接轉變成電能，因其具有電化學轉換過程穩(wěn)定、能量轉換效率高、易小型化、環(huán)境友好以及安全等特點受到了廣泛重視。電化學發(fā)電及其儲能系統(tǒng)包括超級電容器、燃料電池及鋰離子電池等。在這些電化學發(fā)電及其儲能裝置中，活性材料作為電極參加電化學反應，其電化學性能和使用穩(wěn)定性直接影響著電化學體系的性能優(yōu)劣，因此成為研究的重點之一。
碳材料作為電化學電極活性材料，其具有大比表面積、高導電率、種類廣泛、易制備、低成本等諸多優(yōu)點，在能量存儲與轉換方面受到了廣泛關注。碳納米纖維在電極材料、傳感器、纖維復合增強材料、催化劑載體、納米光電材料、重金屬離子吸附、儲氫等領域都有著廣泛的應用。
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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，還具有碳納米管材料的結構緊密，比表面積大，熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點。一維碳納米纖維由于其較高的導電性，較低的成本以及較高的比表面積而被認為是最具潛力的電極材料，制備不同結構的碳納米纖維是成功制備鋰／鈉離子電池負極材料的重要因素。
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)過預氧化、碳化處理兩個過程使分子環(huán)化結構能夠重新組合，進一步形成性能穩(wěn)定的碳納米纖維。以聚丙烯腈作為碳源時，為了使纖維能夠保持形貌和結構的穩(wěn)定，在熱處理時要增加一個低溫穩(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）化學氣相沉積法
化學氣相沉積法是在特定的溫度下（500℃-1000℃），利用價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、氣相流動催化劑法、噴淋法和等離子化學氣相沉積法。
基體法：將納米級催化劑顆粒（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?shù)姆磻獪囟�，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。
氣相流動催化劑法：氣相生長反應需要較高的溫度，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構。氣相流動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間，進一步提高碳源的轉化率，使單位時間內的產量提升。
噴淋法：將納米級催化劑顆粒以液態(tài)的形式摻入苯等有機溶劑中，通過噴嘴將其噴淋到高溫反應室中，再通過催化分解有機溶劑進一步制得納米纖維。
等離子化學氣相沉積法：利用氣體輝光放電所產生的低溫等離子體（非平衡等離子體）來增強反應物的化學活性，使氣體間的化學反應速度加快，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換成一維納米材料的技術。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。靜電紡絲技術廣泛應用于制備納米纖維，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控前驅體溶液和靜電紡絲參數(shù)，在惰性氣體中碳化制得不同結構的CNFs。靜電紡絲技術在生物醫(yī)藥領域，過濾領域，傳感器領域，催化領域以及儲能領域具有很大的應用潛力。
（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，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
生物質也可以用來制備CNFs。基于生物質法制備的CNFs的主要路線是有機聚合物納米纖維的碳化，如細菌纖維素等。細菌纖維素是一種有機化合物（（C6H10O5)n），其由細菌產生的納米纖維網(wǎng)絡結構組成。經(jīng)過碳化后細菌纖維素形成的CNFs網(wǎng)絡可作為電極材料應用于儲能設備。
四、碳納米纖維在電化學領域的應用
（1）碳納米纖維在鋰離子電池負極材料上的應用
鋰離子電池的性能在很大程度上取決于鋰離子電池負極材料。目前，對鋰離子電池負極材料的研究重點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)定性等幾個方面。碳納米纖維因其具有獨特的物理和化學性能而受到青睞，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，這為在負極發(fā)生的反應提供了良好的反應活性位點。因此，碳納米纖維材料在鋰離子電池負極上具有廣泛的應用。
周榮鑫等在預氧化條件為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性能，平均直徑為190nm，碳結構更加有序，碳含量達到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，放電比容量達到568.4mAh/g，經(jīng)過100圈循環(huán)后容量保持率達77.3%，具有較好的充放電性能和循環(huán)性能。
（2）碳納米纖維在超級電容器領域的應用
電極材料的導電性能在很大程度上決定著超級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度和紡織物的易加工性能，因此可將其作為增強材料和基底材料進而得到高性能的納米復合材料。
將碳納米管、活性碳、石墨烯等導電性良好的碳材料復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，還具有良好的導電性、高的比模量、高的穩(wěn)定性、較低的密度以及較高的強度等優(yōu)點，能夠提高電極材料的比電容，是作為超級電容器電極材料的理想選擇。
（3）碳納米纖維在電化學傳感器中的應用
在構筑電化學傳感器件時，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建的電化學傳感器很難滿足對檢測的要求，因此需要利用復合材料來構建電化學傳感器，通過復合材料的協(xié)同作用能夠提高電化學傳感性能。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電性，也可以避免負載材料發(fā)生氧化和團聚的現(xiàn)象，進而構筑具有優(yōu)異性能的電化學傳感器。
小結：
目前，制備納米纖維的方法有許多，但大多數(shù)還處于實驗室水平。由于碳納米纖維的特點完全契合電化學反應中對材料電子/物質傳輸速度快、活性位點密度大以及化學穩(wěn)定性高的要求，因此在電化學領域有相當大的應用前景。而基于碳納米纖維非常廣闊的應用前景，如何更進一步優(yōu)化碳納米纖維的產業(yè)化生產是十分必要的。
參考來源：
潘新穎：靜電紡絲法制備碳納米纖維及其電化學性能研究
薛云艷：基于靜電紡絲的碳納米纖維結構設計與儲能應用
周榮鑫，葛燁倩.碳納米纖維負極材料制備及其電化學性能
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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