中国粉体网讯 目前，电化学发电及其储能装置利用电化学反应能够将化学能直接转变成电能，因其具有电化学转换过程稳定、能量转换效率高、易小型化、环境友好以及安全等特点受到了广泛重视。电化学发电及其储能系统包括超级电容器、燃料电池及锂离子电池等。在这些电化学发电及其储能装置中，活性材料作为电极参加电化学反应，其电化学性能和使用稳定性直接影响着电化学体系的性能优劣，因此成为研究的重点之一。
碳材料作为电化学电极活性材料，其具有大比表面积、高导电率、种类广泛、易制备、低成本等诸多优点，在能量存储与转换方面受到了广泛关注。碳纳米纤维在电极材料、传感器、纤维复合增强材料、催化剂载体、纳米光电材料、重金属离子吸附、储氢等领域都有着广泛的应用。
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一、碳纳米纤维
碳纳米纤维（简称 CNFs）是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料。它的直径一般在10nm-500nm，长度约为0.5μm-100μm，是介于普通碳纤维和碳纳米管之间的一维碳材料。因此，碳纳米纤维不仅具有普通碳纤维材料的优点，还具有碳纳米管材料的结构紧密，比表面积大，热稳定性好的优点。一维碳纳米纤维由于其较高的导电性，较低的成本以及较高的比表面积而被认为是最具潜力的电极材料，制备不同结构的碳纳米纤维是成功制备锂／钠离子电池负极材料的重要因素。
二、碳源的材料
可作为碳源的材料有许多，包括聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚酰亚胺（PI）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、沥青等，其中聚丙烯腈的使用最为广泛。一般由高分子聚合物为碳源得到的原丝须经过预氧化、碳化处理两个过程使分子环化结构能够重新组合，进一步形成性能稳定的碳纳米纤维。以聚丙烯腈作为碳源时，为了使纤维能够保持形貌和结构的稳定，在热处理时要增加一个低温稳定过程。
三、碳纳米纤维制备方法
碳纳米纤维的制备方法有许多种，主要包含化学气相沉积法、固相合成法、静电纺丝法、模板法、生物制备法等。静电纺丝法是目前最为常用的方法，其不仅在常温下可纺，原料来源广，还能够直接、连续地制备聚合物纳米纤维。
（1）化学气相沉积法
化学气相沉积法是在特定的温度下（500℃-1000℃），利用价廉的烃类化合物为原料，使用铁等过渡金属作为催化剂使烃类化合物发生热分解来制得碳纳米纤维的方法。依据使用的催化剂种类和分散状态的不同，可以分为基体法、气相流动催化剂法、喷淋法和等离子化学气相沉积法。
基体法：将纳米级催化剂颗粒（多数为Fe、Ni、Co等过渡金属）均匀地散布在陶瓷或者石墨基体上，依据催化剂的催化活性选取恰当的反应温度，在高温条件下通入烃类气体热解，使其发生分解并且析出碳纳米纤维。
气相流动催化剂法：气相生长反应需要较高的温度，制得的纳米纤维是无规则排列的短纤维样品。与在纯H2中制得的碳纳米纤维相比较，其表面形貌更为粗糙，具有更好的石墨化结构。气相流动催化剂法能够提高碳原子与催化剂发生碰撞的概率和增加接触时间，进一步提高碳源的转化率，使单位时间内的产量提升。
喷淋法：将纳米级催化剂颗粒以液态的形式掺入苯等有机溶剂中，通过喷嘴将其喷淋到高温反应室中，再通过催化分解有机溶剂进一步制得纳米纤维。
等离子化学气相沉积法：利用气体辉光放电所产生的低温等离子体（非平衡等离子体）来增强反应物的化学活性，使气体间的化学反应速度加快，从而在较低的沉积温度下形成固态薄膜的过程。
（2）固相合成法
与以前使用单一的液态或气态碳源的合成方法有所不同，该方法是在催化剂前驱体（如Fe、Co等）的作用下，利用固相碳源（如炭黑、石墨等）作为原材料，在高温条件下碳化碳的规则生长来制备碳纳米纤维的。
（3）静电纺丝法
静电纺丝法是一种利用静电场力将聚合物溶液或熔体转换成一维纳米材料的技术。与其他方法相比较，静电纺丝法能够简单、快速且可以连续地制备纳米纤维薄膜。静电纺丝技术广泛应用于制备纳米纤维，包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和环氧乙烷（PEO）。聚合物纳米纤维可以通过调控前驱体溶液和静电纺丝参数，在惰性气体中碳化制得不同结构的CNFs。静电纺丝技术在生物医药领域，过滤领域，传感器领域，催化领域以及储能领域具有很大的应用潜力。
（4）模板法
基于模板法制备的聚合物纳米纤维己被广泛研究。基于模板法制备CNFs一般有两种合成路径：一种常用的流行路线是硬模板法，另一种是以溶液为基础，通过模板组装路线合成一维的聚合物纳米纤维，碳化后制得CNFs。
（5）生物制备法
生物质也可以用来制备CNFs。基于生物质法制备的CNFs的主要路线是有机聚合物纳米纤维的碳化，如细菌纤维素等。细菌纤维素是一种有机化合物（（C6H10O5)n），其由细菌产生的纳米纤维网络结构组成。经过碳化后细菌纤维素形成的CNFs网络可作为电极材料应用于储能设备。
四、碳纳米纤维在电化学领域的应用
（1）碳纳米纤维在锂离子电池负极材料上的应用
锂离子电池的性能在很大程度上取决于锂离子电池负极材料。目前，对锂离子电池负极材料的研究重点集中在增加能量密度、改善首次库伦效率和提高循环稳定性等几个方面。碳纳米纤维因其具有独特的物理和化学性能而受到青睐，一方面，碳纳米纤维材料大大提高了材料的导电性能；另一方面，碳纳米纤维材料的表面有较多的晶体缺陷，这为在负极发生的反应提供了良好的反应活性位点。因此，碳纳米纤维材料在锂离子电池负极上具有广泛的应用。
周荣鑫等在预氧化条件为250℃、120 min，碳化条件为800℃、120min条件下制得的碳纳米纤维具有较好的形貌特征及化学性能，平均直径为190nm，碳结构更加有序，碳含量达到73.7%。通过组装锂离子电池测试电池充放电性能，得到在100mA/g的电流密度下，放电比容量达到568.4mAh/g，经过100圈循环后容量保持率达77.3%，具有较好的充放电性能和循环性能。
（2）碳纳米纤维在超级电容器领域的应用
电极材料的导电性能在很大程度上决定着超级电容器的功率密度及大电流密度下的充放电性能，碳纳米纤维材料拥有普通碳材料的高强度和纺织物的易加工性能，因此可将其作为增强材料和基底材料进而得到高性能的纳米复合材料。
将碳纳米管、活性碳、石墨烯等导电性良好的碳材料复合到纳米纤维的表面，能够提高纳米材料的充放电性能。此外，多孔碳纳米纤维不仅具有比表面积大、孔隙率高、长径比大等特性，还具有良好的导电性、高的比模量、高的稳定性、较低的密度以及较高的强度等优点，能够提高电极材料的比电容，是作为超级电容器电极材料的理想选择。
（3）碳纳米纤维在电化学传感器中的应用
在构筑电化学传感器件时，传感器的性能很大程度上取决于电极材料的选择。研究表明，由组分单一的材料构建的电化学传感器很难满足对检测的要求，因此需要利用复合材料来构建电化学传感器，通过复合材料的协同作用能够提高电化学传感性能。由于碳纳米纤维具有较大的比表面积和良好的生物相容性，且其本身具有电催化活性，也可负载金属、金属氧化物等其它具有催化活性的成分，所以不仅增加了材料的导电性，也可以避免负载材料发生氧化和团聚的现象，进而构筑具有优异性能的电化学传感器。
小结：
目前，制备纳米纤维的方法有许多，但大多数还处于实验室水平。由于碳纳米纤维的特点完全契合电化学反应中对材料电子/物质传输速度快、活性位点密度大以及化学稳定性高的要求，因此在电化学领域有相当大的应用前景。而基于碳纳米纤维非常广阔的应用前景，如何更进一步优化碳纳米纤维的产业化生产是十分必要的。
参考来源：
潘新颖：静电纺丝法制备碳纳米纤维及其电化学性能研究
薛云艳：基于静电纺丝的碳纳米纤维结构设计与储能应用
周荣鑫，葛烨倩.碳纳米纤维负极材料制备及其电化学性能
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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