微纳结构炭纤维研究取得新进展

  微纳结构炭纤维在能源、环境、催化、吸附和分离等领域具有广泛的应用前景，是近年来材料科学的研究热点。目前，静电纺丝法是构筑一维炭纤维材料的最有效方法之一。然而，该法的制备工艺繁琐，而且在制备聚合物纤维前驱体过程中经常需要消耗大量有毒的或腐蚀性的有机溶剂。因此，如何实现微纳结构炭纤维材料的简单而高效的绿色化制备，是当今材料科学领域的一个重要科学问题。

  最近，我院梁业如博士生、吴丁财副教授（通讯作者）和符若文教授发现天然蚕茧的蚕丝在高温炭化过程中不仅可以保持一维的电纺纤维状微观形貌，还可在纳米尺度上原位炭化裂解成纳米球进而形成三维纳米网络炭骨架，由此提出一种有趣的微纳炭纤维制备方法，即蚕茧直接炭化法。利用该法所得微纳结构炭纤维材料（直径约为6 μm）的一维炭骨架具有如下独特的三维纳米网络结构特征：网络单元为富含微孔（< 2 nm）的10~40 nm炭纳米球，网络单元之间相互堆叠形成丰富的中孔（2～50 nm）和大孔（>50 nm），各层次纳米孔道紧密相连。值得指出的是，该法完全避免了传统的炭纳米网络结构制备法所需的繁琐工艺(例如，溶胶化、凝胶化和超临界干燥等)。由于具有独特的微纳结构形貌、发达的层次孔结构、以及丰富的含氮官能团等特性，此类微纳结构炭纤维材料可直接作为优异的超级电容器免粘结电极材料，还可作为优良的有机蒸汽吸附剂。相关研究成果最近发表在Nature集团新刊《Scientific Reports》上，题为“Carbon Microfibers with Hierarchical Porous Structure from Electrospun Fiber-Like Natural Biopolymer”（Yeru Liang, Dingcai Wu*, Ruowen Fu. Scientific Reports, 2013, 3, 1119）。