材料前沿丨高分子纳米纤维及其衍生物：制备、结构与新能源应用

能源问题在工业社会中一直是困扰经济发展的重要问题，能源利用带来的经济利益与人居环境之间的矛盾日益突出。新型能量转换与存储装置作为人类赖以生存的重要组成部分，与经济、社会和环境的发展密不可分。太阳能、风能等清洁能源的开发利用需要能量存储装置，未来的电动汽车或者混合动力汽车等需要大功率的动力装置，高效率的电池和电容器则是实现上述应用的核心器件。因此，与之直接相关的新能源材料的设计和开发是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域，已成为化学、材料、物理、能源等学科交叉研究的前沿热点之一。

一维纳米材料是指在空间上有两维处于纳米尺度，而长度方向为宏观尺度的一类新型纳米材料。它作为纳米材料的一个重要分支，不但具有传统纳米材料所具有的纳米尺度效应，而且其特有的长径比和维度限域效应使其成为研究电子传输行为、光学特性及力学性能等性质的理想体系，因而在纳米电子学与光学器件、传感器等方面显示出了重要的应用价值。

高分子纳米纤维及其衍生物是一维纳米材料的典型代表之一，其两大重要特征是：大长径比α（>1000）和较小的纤维直径。狭义上，纳米纤维是指直径在1~100 nm范围内的纤维，而广义上1 μm以下的纤维均可称作纳米纤维；较细的纤维直径是保证材料表现出一定柔韧性的前提，因此纤维超细化是纤维科学发展中的一个重要方向。

不同一维纳米材料的典型形貌照片：（A）纳米管；（B）纳米纤维；（C）纳米棒；（D）纳米线；（E）纳米带；（F）纳米电缆。

高分子纳米纤维及其衍生物具有孔隙率高、比表面积大、长径比大、表面能和活性高、纤维精细程度和均一性高等特点，而且纳米材料的一些特殊性质（如量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等）也给纳米纤维带来了特殊的电学、磁学和光学性质。因而，高分子纳米纤维及其衍生物在聚合物增强、分离和过滤、生物及医学治疗、电池材料、电子和光学设备等许多新兴的高科技领域都具有广泛的应用前景。例如，将纳米纤维置于太阳能电池中，其可以最大限度地暴露在太阳光下；作为燃料电池电极材料时，碳纳米纤维直径细、比表面积大、导电性好等特点使其sp²杂化的碳纳米结构表面可以发生尽可能多的催化反应；作为新型二次电池或超级电容器电极材料使用时，一维碳纳米纤维材料可以提供高效的离子和电子传输路径，使更多的活性位点参与到高效的氧化还原反应中。

此外，电子设备正向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展，因而与之相适应的轻薄且柔性的电化学储能器件亟待开发。然而，传统的锂离子电池、超级电容器等产品是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。因此，为适应下一代柔性电子设备的发展，柔性储能器件已成为近年来的研究热点。而高分子纳米纤维材料具有柔性、易编织等优点，其易于被集成到各种光伏设备、电子设备中。不仅如此，当前纳米纤维材料的发展已由单一组成向多组分复合材料、简单的一维实心结构向多级结构构筑，以及单一功能性向多功能性的方向发展，其低成本、高效、循环性能稳定等综合优势必将在未来显示出巨大的市场竞争力。

高分子纳米纤维及其衍生物

鉴于高分子纳米纤维及其衍生物材料在新能源领域的高速发展势头及其商品化的潜在应用价值，作者组织撰写了《高分子纳米纤维及其衍生物：结构、制备及新能源应用》一书。内容涉及高分子纳米纤维及其衍生物的特点、发展方向，高分子纳米纤维及其衍生物的种类、制备方法、结构与形态、测试与表征技术，高分子纳米纤维及其衍生物在光电催化、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、锂二次电池、其他二次电池等能源转换与存储领域，以及传感、智能响应、发光、热电等功能与智能材料方面的应用研究，旨在详细介绍和推动高分子纳米纤维及其衍生物在新能源领域的国内外学术界发展和工业界应用情况。

第1章首先介绍了高分子纳米纤维及其衍生物的特性。第2章详细讲述了高分子纳米纤维及其衍生物的种类与制备方法。高分子纳米纤维及其衍生物包括单组分或多组分的天然高分子和合成高分子纳米纤维，与无机组分复合后获得的有机/无机复合纳米纤维，以及由高分子纳米纤维衍生的碳纳米纤维、氧化物纳米纤维、金属纳米纤维等无机纳米纤维。而高分子纳米纤维及其衍生物的制备方法有多种，主要包括静电纺丝、模板合成法、自组装法、相分离法、拉伸法等。其中，静电纺丝技术是制备高分子纳米纤维及其衍生物的主要方法之一，其具有工艺简单、制备快捷、成本低廉、环境友好等诸多优点，被视为最具有工业化前景的生产纳米纤维材料的技术之一。

高分子纳米纤维及其衍生物的主要制备方法

第3章讲述了高分子纳米纤维及其衍生物的结构与形态，作者首先介绍了单根纤维的结构形态，包括多孔结构、核壳结构、中空结构、树枝状结构、项链结构和螺旋结构；再拓展到纤维集合体的结构形态，如无规堆积、取向阵列、三维重构气凝胶、图案化结构和纳米蛛网结构。第4章归纳总结了高分子纳米纤维及其衍生物的测试与表征技术，分别从组成、结构、形貌、热学、力学和电学等不同方面介绍了纳米纤维的表征方法，为揭示纳米纤维的结构与性能关系提供了更为深入和透彻的研究方法和分析表征技术。

高分子纳米纤维及其衍生物的测试与表征技术

第5章和第6章分别介绍了高分子纳米纤维及其衍生物在光电催化、燃料电池和太阳能电池等能源转换领域，以及超级电容器、锂二次电池、其他二次电池等能源存储领域的应用研究。

第7章讲述了高分子纳米纤维及其衍生物在传感、智能响应、发光、热电等功能与智能材料方面的应用研究。高分子纳米纤维及其衍生物凭借其独特的离子和电子传导路径，柔性、可编织的优势，在下一代轻薄化、柔性化和可穿戴的智能电子设备和柔性储能器件领域显示出巨大的应用前景。当然，在纳米纤维材料制备过程中如何有效调控功能性纳米粒子的聚集方式、其与聚合物基体间的界面结构、以及加工复合工艺等，从而制备出适合需要的、集高性能与多功能一体化的高性能纳米纤维复合材料是未来研究中的关键。

著者简介

刘天西，东华大学材料学院教授、博导、纤维材料改性国家重点实验室副主任。曾获教育部新世纪优秀人才（2004）、上海市青年科技启明星（2004）及其跟踪计划（2009）、上海市曙光学者（2009）、国家杰出青年科学基金（2011）、上海市优秀学术带头人（2017）、上海市领军人才（2017）等项目资助。现任Composites Communications (Elsevier) 副主编、Functional Composite Materials (Springer Nature) 副主编、Advanced Fiber Materials (Springer Nature) 副主编、中国复合材料学会纳米复合材料分会主任。

主要研究方向：高分子纳米复合材料、纳米纤维及其复合材料、有机-无机杂化材料、新能源材料及器件。迄今在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等SCI刊物上发表学术论文280余篇，他引1万余次，H 因子 58；2016~2018连续三年入选英国皇家化学学会(RSC)“Top 1% 高被引中国学者”(材料类)榜单；已获授权中国发明专利二十余项；出版中英文专著各一部。

本文摘编自刘天西著《高分子纳米纤维及其衍生物：制备、结构与新能源应用》。

高分子纳米纤维及其衍生物：

制备、结构与新能源应用

刘天西  著

责任编辑：翁靖一

北京：科学出版社 2019.01

ISBN 9787030589828

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《高分子纳米纤维及其衍生物：制备、结构与新能源应用》为“低维材料与器件丛书”之一。全书以高分子纳米纤维为基础，系统介绍了高分子纳米纤维及其衍生物的种类与制备、结构与形态、表征方法及其在新能源领域的应用。内容涉及高分子纳米纤维及其衍生物的特性、应用前景及发展方向；高分子纳米纤维及其衍生物的种类与制备、结构与形态、表征方法；高分子纳米纤维及其衍生物在光电催化、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、锂二次电池、其他二次电池等能源转换与存储领域，以及传感、智能响应、发光、热电等功能与智能材料方面的应用研究。

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（本期编辑：安 静）

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