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电纺法制备多孔碳纳米纤维及其应用
摘要
本文介绍了电纺法制备多孔碳纳米纤维及其应用的研究现状和发展趋势。首先阐述了电纺法的基本原理和多孔结构材料的应用前景，接着介绍了多孔碳纳米纤维的制备方法及其结构特点。然后详细介绍了多孔碳纳米纤维在能源存储、催化、传感和生物医学等领域的应用研究进展，最后对未来多孔碳纳米纤维的研究进行了展望。
关键词：电纺法；多孔结构；碳纳米纤维；应用研究
Abstract
Thispaperintroducestheresearchstatusanddevelopmenttrendofpreparingporouscarbonnanofibersbyelectrospinningmethodandtheirapplications.Firstly,thebasicprincipleofelectrospinningmethodandtheapplicationprospectofporousstructuralmaterialsareexpounded.Then,thepreparationmethodandstructuralcharacteristicsofporouscarbonnanofibersareintroducedindetail.Then,theapplicationresearchprogressofporouscarbonnanofibersinenergystorage,catalysis,sensing,andbiomedicalfieldsaredescribedcomprehensively.Finally,thefutureresearchofporouscarbonnanofibersisoutlooked.
Keywords:electrospinningmethod;porousstructure;carbonnanofibers;applicationresearch
一、绪论
多孔结构材料因具有高比表面积、多孔度、孔径可控等特点，在环境治理、催化、能源存储等领域有着广泛的应用前景[1-3]。然而，传统多孔材料制备方法在孔径控制和微观结构调控方面存在不足，因此，寻求一种能够快速、可靠地制备控制多孔结构的方法具有极为重要的意义。
电纺法作为一种制备多孔纳米材料的新兴技术，在材料制备领域取得了广泛的应用[4-6]。它利用高压电场将溶液或熔融态聚合物喷射成纳米级液滴，并在极短的时间内将其加热和冷却固化，从而形成多孔纳米材料[7-9]。近年来，研究者们不断探索电纺法制备多孔碳材料的方法，并应用于能量存储、催化、生物医学等领域[10-12]。其中，多孔碳纳米纤维是一种重要的材料，不仅具有纳米材料的高比表面积和多孔结构的优点，同时也拥有纤维的特性，因此，受到了广泛关注。
本文旨在介绍电纺法制备多孔碳纳米纤维及其应用的研究现状和发展趋势，以期对相关领域的研究进行参考和推动。首先阐述了电纺法的基本原理和多孔结构材料的应用前景，接着介绍了多孔碳纳米纤维的制备方法及其结构特点。然后详细介绍了多孔碳纳米纤维在能源存储、催化、传感和生物医学等领域的应用研究进展，最后对未来多孔碳纳米纤维的研究进行了展望。
二、电纺法制备多孔碳纳米纤维
电纺法制备多孔碳纳米纤维的主要方法是在电纺过程中添加多孔模板或者通过物理或化学处理制备多孔结构[13-15]。下面将从多孔模板和多孔结构两方面介绍多孔碳纳米纤维的制备方法。
1.多孔模板法
多孔模板法利用多孔结构的材料作为电纺原料中的模板，在纤维生成过程中模板被保留在其中，沉淀或烧蚀模板后得到多孔碳纳米纤维。所选的多孔模板一般具有高的热稳定性和低的密度，例如聚苯乙烯微球、硬质模板等[16-18]。多孔模板法的主要优点是孔径和孔隙度可精确控制，且适用于多种形状和尺寸的模板。
2.多孔结构法
多孔结构法则是在普通电纺法的基础上，通过物理或化学处理过程对电纺纤维进行处理得到多孔结构。这种方法通过改变电纺前、中、后的处理控制条件，可以有效地调控多孔结构的形貌和孔径[19-21]。例如，控制电纺前的混合桶内的气体流体力学条件或掌握合适的缩聚剂添加量，即可制备出具有不同孔径、介孔、微孔的多孔碳纳米纤维。
多孔碳纳米纤维的结构可以分为球状孔、管状孔和间隙型孔，其中球状孔多产生于聚苯乙烯微球为模板制备的样品，管状孔主要产生于聚酰胺棒和硬质模板所制备的样品，间隙型孔主要产生于电纺纤维内部实现相分离，其形貌和孔径随着处理方法的变化而变化，可以通过SEM和TEM等显微镜技术进行表征[22-24]。
三、多孔碳纳米纤维的应用
1.能量存储
多孔碳纳米纤维作为一种新型电极材料，因具有高比表面积、优异的导电性能和良好的化学稳定性等特点，在能量存储领域具有广泛的应用前景[25-27]。
李士