高分子納米纖維及其衍生物：製備、結構與新能源應用

能源問題在工業社會中一直是困擾經濟發展的重要問題，能源利用帶來的經濟利益與人居環境之間的矛盾日益突出。新型能量轉換與存儲裝置作為人類賴以生存的重要組成部分，與經濟、社會和環境的發展密不可分。太陽能、風能等清潔能源的開發利用需要能量存儲裝置，未來的電動汽車或者混合動力汽車等需要大功率的動力裝置，高效率的電池和電容器則是實現上述應用的核心器件。因此，與之直接相關的新能源材料的設計和開發是近年來迅速崛起和飛速發展的研究領域，已成為化學、材料、物理、能源等學科交叉研究的前沿熱點之一。

一維納米材料是指在空間上有兩維處於納米尺度，而長度方向為宏觀尺度的一類新型納米材料。它作為納米材料的一個重要分支，不但具有傳統納米材料所具有的納米尺度效應，而且其特有的長徑比和維度限域效應使其成為研究電子傳輸行為、光學特性及力學性能等性質的理想體系，因而在納米電子學與光學器件、感測器等方面顯示出了重要的應用價值。

高分子納米纖維及其衍生物是一維納米材料的典型代表之一，其兩大重要特徵是：大長徑比α（>1000）和較小的纖維直徑。狹義上，納米纖維是指直徑在1~100 nm範圍內的纖維，而廣義上1 μm以下的纖維均可稱作納米纖維；較細的纖維直徑是保證材料表現出一定柔韌性的前提，因此纖維超細化是纖維科學發展中的一個重要方向。

不同一維納米材料的典型形貌照片：（A）納米管；（B）納米纖維；（C）納米棒；（D）納米線；（E）納米帶；（F）納米電纜。

高分子納米纖維及其衍生物具有孔隙率高、比表面積大、長徑比大、表面能和活性高、纖維精細程度和均一性高等特點，而且納米材料的一些特殊性質（如量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等）也給納米纖維帶來了特殊的電學、磁學和光學性質。因而，高分子納米纖維及其衍生物在聚合物增強、分離和過濾、生物及醫學治療、電池材料、電子和光學設備等許多新興的高科技領域都具有廣泛的應用前景。例如，將納米纖維置於太陽能電池中，其可以最大限度地暴露在太陽光下；作為燃料電池電極材料時，碳納米纖維直徑細、比表面積大、導電性好等特點使其sp2雜化的碳納米結構表面可以發生儘可能多的催化反應；作為新型二次電池或超級電容器電極材料使用時，一維碳納米纖維材料可以提供高效的離子和電子傳輸路徑，使更多的活性位點參與到高效的氧化還原反應中。

此外，電子設備正向著輕薄化、柔性化和可穿戴的方向發展，因而與之相適應的輕薄且柔性的電化學儲能器件亟待開發。然而，傳統的鋰離子電池、超級電容器等產品是剛性的，在彎曲、摺疊時，容易造成電極材料和集流體分離，影響電化學性能，甚至導致短路，發生嚴重的安全問題。因此，為適應下一代柔性電子設備的發展，柔性儲能器件已成為近年來的研究熱點。而高分子納米纖維材料具有柔性、易編織等優點，其易於被集成到各種光伏設備、電子設備中。不僅如此，當前納米纖維材料的發展已由單一組成向多組分複合材料、簡單的一維實心結構向多級結構構築，以及單一功能性向多功能性的方向發展，其低成本、高效、循環性能穩定等綜合優勢必將在未來顯示出巨大的市場競爭力。

高分子納米纖維及其衍生物

鑒於高分子納米纖維及其衍生物材料在新能源領域的高速發展勢頭及其商品化的潛在應用價值，作者組織撰寫了《高分子納米纖維及其衍生物：結構、製備及新能源應用》一書。內容涉及高分子納米纖維及其衍生物的特點、發展方向，高分子納米纖維及其衍生物的種類、製備方法、結構與形態、測試與表徵技術，高分子納米纖維及其衍生物在光電催化、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、鋰二次電池、其他二次電池等能源轉換與存儲領域，以及感測、智能響應、發光、熱電等功能與智能材料方面的應用研究，旨在詳細介紹和推動高分子納米纖維及其衍生物在新能源領域的國內外學術界發展和工業界應用情況。

第1章首先介紹了高分子納米纖維及其衍生物的特性。第2章詳細講述了高分子納米纖維及其衍生物的種類與製備方法。高分子納米纖維及其衍生物包括單組分或多組分的天然高分子和合成高分子納米纖維，與無機組分複合後獲得的有機/無機複合納米纖維，以及由高分子納米纖維衍生的碳納米纖維、氧化物納米纖維、金屬納米纖維等無機納米纖維。而高分子納米纖維及其衍生物的製備方法有多種，主要包括靜電紡絲、模板合成法、自組裝法、相分離法、拉伸法等。其中，靜電紡絲技術是製備高分子納米纖維及其衍生物的主要方法之一，其具有工藝簡單、製備快捷、成本低廉、環境友好等諸多優點，被視為最具有工業化前景的生產納米纖維材料的技術之一。

高分子納米纖維及其衍生物的主要製備方法

第3章講述了高分子納米纖維及其衍生物的結構與形態，作者首先介紹了單根纖維的結構形態，包括多孔結構、核殼結構、中空結構、樹枝狀結構、項鏈結構和螺旋結構；再拓展到纖維集合體的結構形態，如無規堆積、取向陣列、三維重構氣凝膠、圖案化結構和納米蛛網結構。第4章歸納總結了高分子納米纖維及其衍生物的測試與表徵技術，分別從組成、結構、形貌、熱學、力學和電學等不同方面介紹了納米纖維的表徵方法，為揭示納米纖維的結構與性能關係提供了更為深入和透徹的研究方法和分析表徵技術。

高分子納米纖維及其衍生物的測試與表徵技術

第5章和第6章分別介紹了高分子納米纖維及其衍生物在光電催化、燃料電池和太陽能電池等能源轉換領域，以及超級電容器、鋰二次電池、其他二次電池等能源存儲領域的應用研究。

第7章講述了高分子納米纖維及其衍生物在感測、智能響應、發光、熱電等功能與智能材料方面的應用研究。高分子納米纖維及其衍生物憑藉其獨特的離子和電子傳導路徑，柔性、可編織的優勢，在下一代輕薄化、柔性化和可穿戴的智能電子設備和柔性儲能器件領域顯示出巨大的應用前景。當然，在納米纖維材料製備過程中如何有效調控功能性納米粒子的聚集方式、其與聚合物基體間的界面結構、以及加工複合工藝等，從而製備出適合需要的、集高性能與多功能一體化的高性能納米纖維複合材料是未來研究中的關鍵。

著者簡介

劉天西，東華大學材料學院教授、博導、纖維材料改性國家重點實驗室副主任。曾獲教育部新世紀優秀人才（2004）、上海市青年科技啟明星（2004）及其跟蹤計劃（2009）、上海市曙光學者（2009）、國家傑出青年科學基金（2011）、上海市優秀學術帶頭人（2017）、上海市領軍人才（2017）等項目資助。現任Composites Communications(Elsevier)副主編、Functional Composite Materials(Springer Nature)副主編、Advanced Fiber Materials(Springer Nature)副主編、中國複合材料學會納米複合材料分會主任。

主要研究方向：高分子納米複合材料、納米纖維及其複合材料、有機-無機雜化材料、新能源材料及器件。迄今在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等SCI刊物上發表學術論文280餘篇，他引1萬餘次，H因子58；2016~2018連續三年入選英國皇家化學學會(RSC)「Top 1% 高被引中國學者」(材料類)榜單；已獲授權中國發明專利二十餘項；出版中英文專著各一部。

本文摘編自劉天西著《高分子納米纖維及其衍生物：製備、結構與新能源應用》。

高分子納米纖維及其衍生物：

製備、結構與新能源應用

劉天西 著

責任編輯：翁靖一

北京：科學出版社 2019.01

《高分子納米纖維及其衍生物：製備、結構與新能源應用》為「低維材料與器件叢書」之一。全書以高分子納米纖維為基礎，系統介紹了高分子納米纖維及其衍生物的種類與製備、結構與形態、表徵方法及其在新能源領域的應用。內容涉及高分子納米纖維及其衍生物的特性、應用前景及發展方向；高分子納米纖維及其衍生物的種類與製備、結構與形態、表徵方法；高分子納米纖維及其衍生物在光電催化、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、鋰二次電池、其他二次電池等能源轉換與存儲領域，以及感測、智能響應、發光、熱電等功能與智能材料方面的應用研究。

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