多孔碳納米纖維孔隙和電子結(jié)構(gòu)豐富，其不僅具有無(wú)機(jī)納米材料的小尺寸效應(yīng)、優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等，而且易于形成自支撐的薄膜，避免了因使用粘結(jié)劑所帶來(lái)的界面阻力增加和傳質(zhì)效率降低的缺陷，因此在能源、傳感、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。目前制備多孔碳納米纖維的方法主要有活化法和模板法?；罨ㄖ饕怯肒OH或HNO3等腐蝕性化學(xué)試劑刻蝕碳納米纖維造孔，模板法主要是通過(guò)煅燒瀝青或聚丙烯腈與造孔劑的混合物而原位形成多孔碳纖維。然而，活化法通常比較復(fù)雜且存在污染和安全問(wèn)題，而模板法需要消耗大量的有機(jī)溶劑。另外，應(yīng)用這兩種方法制備的碳納米纖維孔隙率低、電導(dǎo)率低。一方面，為確保碳納米纖維膜結(jié)構(gòu)的完整性，多數(shù)報(bào)道的多孔碳納米纖維孔隙率低于20%；另一方面，這些多孔碳納米纖維的電導(dǎo)率通常低于10s/cm。因此，如何在保持多孔碳納米纖維膜完整性的同時(shí)提高其孔隙率和電導(dǎo)率是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基于這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于水系靜電紡方法和宏觀-微觀雙相分離技術(shù)，制備了具有高孔隙率和高電導(dǎo)率的柔性多孔碳納米纖維膜。在這項(xiàng)研究中，碳前驅(qū)體和造孔劑的均勻混合是控制孔隙率和電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。在這里，聚乙烯醇（PVA）、聚四氟乙烯（PTFE）顆粒和硼酸（BA）分別作為碳前驅(qū)體、大孔誘導(dǎo)劑、交聯(lián)劑和微孔誘導(dǎo)劑。其中，BA通過(guò)與PVA和PTFE進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，形成了穩(wěn)定的PVA-BA-PTFE紡絲溶膠，避免了PVA大分子的自我纏結(jié)；在280℃預(yù)氧化過(guò)程中，PVA脫氫形成共軛C＝C鍵，提高了初生纖維的穩(wěn)定性；在N2中高溫?zé)峤夂螅纬葿-F-N三元摻雜的柔性、高電導(dǎo)率、通體多孔的碳納米纖維 （圖1）。通體多孔碳納米纖維中連續(xù)的碳骨架為電子傳導(dǎo)提供了快速通道，而三級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)（大孔-介孔-微孔，孔隙率高于80%）降低了離子、分子以及顆粒等物質(zhì)的傳輸阻力，因此在氣體吸附、污水處理、液體存儲(chǔ)、超級(jí)電容器和電池等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出多功能性。例如，此纖維膜具有較高的液體存儲(chǔ)能力和較快的亞甲基藍(lán)染料吸附能力；用此纖維膜制備的全碳對(duì)稱型超級(jí)電容器具有較高的功率密度（3.9kw/Kg）和能量密度（42.8 Wh/Kg）；當(dāng)用作硫電極時(shí)，鋰硫電池在1c電流充放電情況下，容量可以達(dá)到1200mAh/g。

圖1. B-N-F三元摻雜的通體多孔碳納米纖維的制備與表征。（a）使用化學(xué)交聯(lián)靜電紡絲和高溫煅燒法合成多孔碳納米纖維的示意圖；（b）前驅(qū)體纖維膜；（c-e）依次為前驅(qū)體纖維，預(yù)氧化纖維和多孔碳納米纖維的掃描電子顯微鏡圖；（f）多孔碳納米纖維的EDS譜圖；（g）B-N-F摻雜的碳納米纖維結(jié)構(gòu)模型。

該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)防科工局雙百工藝攻關(guān)項(xiàng)目、上海市教委重大自然科學(xué)項(xiàng)目、上海市海外高層次人才項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年托舉項(xiàng)目的大力資助。