https://doi.org/10.1039/D0NR03425H

主要内容：

1.针对电纺CNFs在提高电导率、调节孔结构、杂原子掺杂、增强机械强度等方面的应用，结合其在超级电容器中的应用，重点介绍了近年来在这些方面的研究进展。

2.考察了活化过程所涉及的基本科学原理及其对提高CNFs电化学性能的有效性。

3.强调了工程CNFs在提高性能方面所面临的一些挑战和未来的展望。

改善电导率→催化石墨化

采用静电纺丝结合金属蚀刻工艺制备了具有高度柔韧性的多孔碳纳米纤维薄膜。

不仅显示出较大的比表面积，而且由于热处理中金属Co催化的石墨化程度高，导电性也得到了改善。

功率密度为600 W kg-1时，组装的对称超级电容器具有良好的柔性和3.22 Wh kg-1的能量密度。

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 23515-23520.

多孔结构→无机模板

通过在电纺氧化锌纳米纤维上涂覆乙醇基碳，制备了由连接良好的超薄碳纳米泡组成的多孔CNFs，通过还原-蒸发过程去除氧化锌模板。

在三电极结构中，62.0% (0.5-70 A g-1)和35000个循环周期的长寿命(94.1%的电容保持率)。

J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 14801-14810.

无机盐通常在碳前体热解过程中分解为金属氧化物或金属，作为生成中孔或大孔的硬模板。

Mai等人通过电纺PAN/Mg(OH)2复合纳米纤维制备了原位氮掺杂介孔CNFs (N-MCNFs)，然后进行碳化和蚀刻。

柔性N-MCNFs网络具有更好的水润湿性和更高的比表面积，满足了理想超级电容器电极材料的一般要求。

J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 23620-23627.

多孔结构→有机模板

与无机硬模板不同，大多数有机模板具有转化作用，而且是碳资源的组成部分。

正硅酸四乙酯(TEOS)、醋酸盐、金属配合物、聚合物和其他有机化合物是有机的常见类型。

Cui等报道了竹材状石墨化CNFs，其沿纵向有周期性分布的中空结构，横向有分层的孔结构，分别以PAN和TEOS作为碳前驱体和致孔剂，通过电纺、碳化和蚀刻处理获得。

Nano Lett., 2015, 15, 3899-3906.

(i)将聚合物/MOF溶液电纺成纳米纤维，然后碳化并去除模板。

(ii)将MOFs原位或极性诱导沉积在电纺聚合物纳米纤维上，将核壳1D异质结构转化为多孔或中空的CNFs。

Lou等人设计了一种分级多孔氮掺杂CNFs (HPCNFs-N)，通过电纺沸石酰亚胺骨架(ZIF-8)/PAN复合前驱体碳化，将相互连接的碳空心纳米颗粒组装在一起。

Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1777-1783.

为了进一步调控电纺CNFs的孔结构，在碳源前驱体中引入不同类型的双模板。

Wang等采用同轴静电纺丝法设计了双毛细管CNFs，其内部溶液为木质素/PEO/DMF，外部为液体TEOS/ PVP /乙醇。

所制备的CNFs在核壳层分别具有微孔和中孔，离子扩散速度快，导电性高，柔性好。

Nano Energy, 2016, 28, 232-240.

刻蚀法

物理活化

利用空气、二氧化碳和蒸汽电纺CNFs的活化可以看作是一个物理过程，其中一些碳原子最终被这些温和的氧化剂在高温下氧化，释放气体并形成气孔。

化学活化

化学活化通常通过将电纺聚合物前体或将CNF放入活化剂如KOH，H3PO4和ZnCl2等的水溶液中，然后通过在600-1000ºC下碳化和清洗处理。

与物理活化相比，化学活化在产碳率、孔隙率和能耗方面具有一些独特的优势。

杂原子掺杂→单原子掺杂

氮掺杂是最具代表性的策略，通过活性位点、自由电子和C-N极性键来调整电纺CNFs的电化学反应性、电导率和润湿性。

以电纺PAN/bPEI纳米纤维为前驱体的柔性NCNFs，在三电极系统中进行测试时，它比纯PAN衍生的CNFs具有更高的比电容。

无粘结剂NCNFs电极的准固态对称超级电容器功率密度为300 W kg-1时，最大能量密度为〜8.0 Wh kg-1，在180º的大弯曲角度下，电容损失仅为8.1％。

J. Alloy. Compd., 2019, 808, 151737.

CNFs中的三元掺杂也可以在杂原子和/或产生缺陷之间产生协同效应，从而提高相应的电化学活性。

Ding等人以H3BO3、聚四氟乙烯乙烯(PTFE)和PVA为前驱体，通过化学交联电纺和N2流热解设计了硼/氟/氮共掺杂海绵状PCNFs。

三掺杂海绵状PCNFs优异的电容性性能归因于其较大的SSA、从微孔到大孔的超高孔隙率以及三元掺杂的协同效应所带来的优异的导电性。

Nat. Commun., 2019, 10, 5584.

机械性能和柔性

为了显著提高CNFs的机械性能，提出了几种有代表性的加工方法，包括电纺聚合物纳米纤维的取向、预氧化和碳化温度的调节，以及在CNFs中加入碳纳米管、石墨烯或其他交联剂。

KOH活化石墨烯量子点增强CNFs (AGRCNFs)具有发达的多孔结构，超高SSA (2032 m2)g-1)，良好的导电性能使其抗拉强度为~ 3MPa，这是由于两者之间的强交联引起的富含含氧官能团的PAN链和石墨烯量子点。

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 11669-11678.

挑战与展望

引入微孔和/或中孔不利于提高机械强度，降低CNFs的柔韧性，CNFs中某些大孔隙可以有效缓冲由弯曲变形和/或体积膨胀引起的应力，但这些材料通常体积较大，不利于体积比容量。

电化学性能与电导率、孔隙度和杂原子含量等变量之间的定量构效关系很难推广，不利于CNFs结构和性能的优化设计。

对不同掺杂元素之间的相互作用或协同作用缺乏基本的认识。氟、磷、硫等杂原子掺杂的主碳的局域电子结构和表面化学仍不清楚，且存在争议，需要通过理论模拟来阐明如何在实验上构建最优的掺杂构型。

电纺CNFs的比电容和能量密度受理论容量小的限制较大，应进一步扩展为导电衬底，以支持其他电活性材料，从而构建高性能柔性可穿戴设备。