電紡碳納米纖維在能源應用中面臨的關鍵問題:持續的方法和挑戰

Nanoscale：電紡碳納米纖維在能源應用中面臨的關鍵問題：持續的方法和挑戰

DOI: 10.1039/D0NR03425H電紡碳納米纖維（CNFs）具有一維（1D）形態、可調尺寸、機械柔性、自身功能和可添加到自身的功能，在超級電容器、電池和燃料電池等儲能和轉換方面得到了深入的發展和廣泛的應用。然而，與石墨烯和碳納米管對應物相比，常規的固態CNFs往往具有較差的電導率和較低的比表面積。CNFs中精心設計的多孔結構可增加其表面積和反應性，但在孔隙的水平和類型以及機械強度之間存在微妙的平衡。另外，CNFs本身在能量存儲和轉換中常常表現出不理想的電化學性能，其中一種有效的方法是在CNFs中摻雜某些雜原子，使CNFs具有高而持久的活性。迄今為止，已經提出了多種活化策略，其中一些在解決這些關鍵問題方面已取得了巨大的成功。在本綜述中，研究者重點介紹了近年來在活化電紡CNFs方面的進展，包括提高電導率、調節孔隙結構、摻雜雜原子和增強機械強度，這與其在超級電容器中的應用密切相關。研究了這些活化過程中涉及的基本科學原理及其在增強CNFs電化學性能方面的有效性。最後，重點介紹了工程化CNFs在提高性能方面所面臨的一些挑戰和未來的展望。

圖1.（A）電紡CNFs的製備步驟示意圖。PAN前驅體的（B）穩定化和（C）碳化過程中的典型化學反應。

圖2.（A）在熱處理過程中通過金屬Co催化劑製備高度石墨化的PCNFs的示意圖。（B，D）Co-C複合纖維和（C，E）PCNFs的（B，C）SEM和（D，E）TEM圖像。（E）中的插圖：PCNF的面間距。在（F-I）三電極和（J-M）兩電極系統中測量的PCNFs的電化學性能：（F）不同掃描速率下的CV曲線，（G，J）不同電流密度下的GCD曲線，（H）比電容與電流密度的函數關係，（I）奈奎斯特圖，（K）對稱器件彎曲循環的電容保持率，（L）循環性能和（M）Ragone圖。

圖3.（A）以電紡ZnO納米纖維為模板合成泡沫PCNFs的示意圖。（B）由良好連接的超薄碳納米氣泡組成的單個發泡PCNFs的SEM和（C）TEM圖像。（D-G）三電極系統中相應電極的電化學性能：分別在不同的掃描速率和電流密度下獲取的（D）CV和（E）GCD曲線。（F）比電容隨電流密度的變化。（G）循環穩定性。插圖：35000次循環後PCNFs的SEM圖像。

圖4.（A）在900℃下碳化的PAN/Mg（OH）2納米纖維的SEM圖像和（B-D）元素圖。柔性N-MCNFs網絡的（E）SEM和（F）TEM圖像。（G）動態水接觸角測試。（H）N-MCNFs的高解析度N 1s XPS光譜。（I）碳網絡中N原子的可能位置。（J）N2吸附-解吸等溫線和（K）孔徑分布（PSD）圖。（L-M）使用三電極配置的N-MCNFs的電化學性能：（L）CV和（M）GCD曲線，（N）在不同電流密度下的比電容。（O）N-CNFs在20 A g-1下的循環耐久性和庫侖效率。

圖5.（A）竹節狀CNFs的製備過程示意圖。（B）TEOS/PAN納米纖維、（C）SiO2/碳納米纖維和（D）竹節狀CNFs的TEM圖像。所得竹節狀CNFs的（E）SEM和（F）HRTEM圖像。（G）機械性能。（H，I）三電極測量值：（H）GCD曲線和（I）比電容與電流密度的函數關係。（J-M）全固態柔性超級電容器的電化學性能：（J）GCD曲線，（K）循環壽命，（L）彎曲（1）0和（2）90°以及扭轉（3）90和（4）180°的器件數字圖像，以及（M）相關的CV曲線和電容保持率。

圖6.（A）HPCNFs-N的製備示意圖。（B，C）PAN/ZIF-8納米纖維和（D，E）HPCNFs-N樣品的（B，D）SEM和（C，E）TEM圖像。（F）HPCNFs-N的HRTEM圖像、（G）元素映射以及（H）N2吸附-解吸等溫線和PSD曲線。（I-M）HPCNFs-N在兩電極電池配置中的電化學性能：（I）CV和（J）GCD曲線。（K）比電容隨電流密度的變化。（L）循環性能。插圖：10000次循環後，HPCNFs-N電極的SEM圖像。（M）HPCNFs-N和其他碳基器件的Ragone圖。

圖7.（A，B）使用同軸靜電紡絲的雙毛細管CNFs（DCNFs）製備過程示意圖。DCNFs的（C）SEM和（D）TEM圖像。插圖是柔性DCNF膜的數字照片和多孔結構的插圖。（E）N2吸附解吸等溫線和（F）PSD曲線。（G-J）在兩電極系統中測得的電化學性能：（G）奈奎斯特圖，（H）Ragone圖，（I）DCNF基器件彎曲0和90°的數字圖像，以及（J）相應的CV曲線。

圖8.（A）由PAN/bPEI合成的NCNFs的示意圖。（B）製備的NCNFs的SEM圖像和（C）高解析度N 1s XPS光譜。（D）三電極配置中NCNFs和純PAN基CNFs的CV和（E）GCD曲線。（F）Ragone圖，插圖：對稱超級電容器的示意圖。（G）柔性設備在不同彎曲水平下的CV曲線。（H）比電容和電容保持率隨彎曲角度的變化。插圖顯示了相關的GCD曲線。

圖9.（A）通過化學交聯靜電紡絲和熱解製備B/F/N共摻雜的海綿狀PCNFs的示意圖。（B）三重摻雜PCNF膜的橫截面和（C）具有連續大孔的PCNFs在高放大倍數下的SEM圖像。（D，E）單個PCNF的TEM圖像。（F）PCNFs的元素映射。（G）三重摻雜PCNFs的化學模型。（H）PCNF膜的機械強度。（I）N2吸附解吸等溫線和（J）PSD曲線。（K）在不同的熱解溫度下用不同的PVA含量製備的PCNFs的電導率。（L）對稱超級電容器的奈奎斯特圖、（M）GCD曲線和（N）循環性能。

圖10.（A）AGRCNFs的製備過程示意圖。（B）AGRCNF膜的機械性能。（C）N2吸附-解吸等溫線和（D）PSD曲線。（E）AGRCNFs的拉伸應力和電導率。（F-H）在三電極系統中測試的電化學性能：（F）CV曲線、（G）GCD曲線和（H）速率能力。

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來源: 易絲幫