东华大学朱美芳院士、杨建平教授与伍伦贡大学Jun Chen教授《Adv. Sci.》综述：有机/无机杂化纤维设计及电化学能源应用

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有机/无机杂化纤维 (OIHFs) 是一种柔性的一维材料，具有相对较高的纵横比（>100，ø < 100 μm）和离散的有机/无机物种。因其固有的高比表面积和柔韧性、各向异性、可调节的化学成分和可控的杂化结构，在各种电化学能源应用中引起了极大的关注。OIHFs不仅结合了有机和无机组分的固有优势，还由于有机和无机成分之间的协同相互作用产生了一些新特性。有机纤维基体具有大比表面积、高柔韧性、低密度以及独特的各向异性，被认为是掺入各种无机成分的理想基材。无机组分，如杂原子、金属（或非金属）纳米粒子及其化合物可以通过不同的形式与纤维基质结合，从而赋予有机纤维基体优越的电化学性能。

近日，东华大学杨建平教授团队与朱美芳院士、伍伦贡大学Jun Chen教授合作，在《Advanced Science》期刊撰写了题目为“Organic/Inorganic Hybrid Fibers: Controllable Architectures for Electrochemical Energy Applications”的综述论文。

图1. OIHFs 的代表性结构和发展概图

文章全面概述了OIHFs的先进合成方法、可调的结构特征与电化学性能之间的关系。首先定义了杂化纤维的基本概念，并讨论了其组成、特性以及表征方法。通过对整体、内部和界面结构的精确调控，详细描述了OIHFs的可控合成。系统总结了OIHFs在可充电电池（锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池）、超级电容器（三明治状超级电容器和纤维状超级电容器）和电催化（氧还原反应、析氧反应和析氢反应）等能源领域的发展情况与最新研究进展。

图2. OIHFs的定义、表征、可控结构和特性

图3. OIHFs的可控结构和关键要素

文章最后探讨了OIHFs在电化学储能和催化领域的一些发展思路：

1）迄今为止，静电纺丝仍然是合成 OIHFs 最常用的方法。然而，静电纺丝在实现有机和无机组分的受控分布方面仍然存在局限性。未来的研究应侧重于在分子水平上精确控制有机/无机组分的比例和空间位置。此外，尽管已经开发了许多界面改性方法来赋予 OIHFs 各种界面特性，但无机组分与纤维基质之间的界面相互作用通常是弱范德华力或静电相互作用。应探索新的合成策略，通过强界面相互作用（如共价键）将无机组分和有机纤维结合起来。

2）对于可充电电池的电极材料，活性材料和纤维基质之间的合理空隙空间对于适应电化学反应过程中的结构应力是必要的。通过合理协调空隙空间和体积能量密度可以实现高容量和长循环寿命。对于电催化反应，构建具有高比表面积的电极材料以充分暴露活性位点有利于提高电催化活性。

3）对于电化学能源应用，仍需探索简单且通用的合成方法。设计合成不含添加剂的独立电极以确保催化剂和载体之间的良好电接触将成为未来研究的重点。

论文第一作者为东华大学材料科学与工程学院博士生张方舟，通讯作者为伍伦贡大学Jun Chen教授、东华大学杨建平教授、朱美芳院士。上述工作得到了国家重点研发计划、上海市科委、中央高校基本科研业务费专项资金等基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102859

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