一维SiO2纳米纤维(SNFs)具有优异的化学稳定性、独特的光学和热特性，受到研究者的广泛关注，是目前最受欢迎的无机纳米材料之一。静电纺丝是制备具有可设计结构、可调控尺寸和可改善性能的一维SNFs的一种直接和通用的方法，在航空航天、纳米器件和能源等许多前沿应用中具有巨大潜力。

近日，东华大学俞建勇院士&丁彬教授团队在期刊《Nano-Micro Letters》( IF 23.655)发表了题目为“From 1D Nanofibers to 3D Nanofibrous Aerogels: A Marvellous Evolution of Electrospun SiO2 Nanofibers for Emerging Applications”的综述。在这篇综述中，重点介绍了静电纺SNF在结构设计、可控合成和多功能应用方面的重大进展。

首先简要介绍了静电纺丝的基本原理、可用的原料和典型设备。在此基础上，详细讨论了不同结构纳米纤维气凝胶的制备策略，重点介绍了新出现的三维SiO2纳米纤维气凝胶。俞建勇院士&丁彬教授团队将继续关注 SNF 从脆性到柔韧性转变的重大突破，以及实现其机械增强的方法。最后，对本文的研究进展进行了总结，并对未来静电纺纳米纤维的发展方向提出了展望。

图1 不同结构的静电纺SNF在许多领域的应用。

图2 a 静电纺丝基本装置示意图。b静电纺丝过程中典型射流运动照片。c静电纺丝制备SNFs的一般工艺示意图。d空气中煅烧后

SNFs的扫描电子显微镜(SEM)图像。

静电纺丝SNFs的结构设计

材料的制备应结合一种或多种特性，以满足不同的应用要求。根据材料科学中公认的结构-性能关系，需要对材料的结构进行更巧妙的设计，使其更有利于发挥功能优势。到目前为止，在电纺SNFs上已经出现了各种各样的结构来探索不同的应用，它们可以分为六大类：核鞘结构、中空结构、多孔结构、分层结构、取向结构和3D组装结构。

图3  a同轴静电纺丝装置示意图。b煅烧前纺丝的TiO2/SiO2纳米纤维的扫描电镜照片。c SiO2/Al2O3纳米纤维煅烧后的高分辨率TEM照片。d SNFs的SEM图像。e SNFs的TEM图像。f SiO2@TiO2纳米纤维的TEM图像。

静电纺丝SNFs的力学性能

如前所述，以往的研究大多集中在静电纺SNFs的结构设计和制备上，忽略了其力学性能。在实际使用中，尤其对于要求机械适当的场合，如可回收催化剂载体、抗振绝缘套、水处理分离膜等。在制备气凝胶纳米纤维过程中，经过必要的煅烧过程，以获得纯陶瓷纳米纤维。在煅烧过程中，纳米纤维内部发生了一系列复杂的物理和化学变化，如有机组分的分解、溶剂的去除、金属羟基的热凝聚、原子的移动和重排等。由于上述过程所造成的表面不均匀、孔隙缺陷和晶粒粗化等原因，往往会降低其性能。因此，深入了解电纺SNF的力学行为，对于开发具有优异力学性能的材料以服务于高级应用，无疑是非常紧迫的。

图4 a柔性SNFs膜的光学照片。B SNFs的TEM图像。c SNFs的XRD谱。d SNFs柔性的合理机制。e SiO2/SnO2纳米纤维的TEM图像。f选定区域的高分辨率TEM图像。g SiO2/SnO2纳米纤维膜的拉伸强度和断裂韧性。h MMT@ZrO2-SiO2 纳米纤维的扫描电镜图像。i MMT@ZrO2SiO2纳米纤维的TEM图像。j ZrO2-SiO2和MMT@ZrO2-SiO2纳米纤维膜的应力-应变曲线。

静电纺SNFs的应用

静电纺纳米纤维作为应用最广泛的一维纳米结构材料之一，具有高孔隙率、大比表面积和独特的光学特性，极大地提高了纳米纤维气凝胶的性能，拓宽了其应用领域。SiO2纳米纤维气凝胶，特别是3D纳米纤维气凝胶，在许多应用场景中更方便部署，并能充分发挥其性能优势。在本节中，主要关注基于SiO2的纳米气凝胶在物理防护、医疗保健和水处理方面的相关应用，以及近年来在这些关键研究领域所做的许多创新工作。

图5显示层次结构的ZrO2-SiO2纳米纤维气凝胶的SEM图像。b影响ZrO2-SiO2纳米纤维气凝胶热导率的因素示意图。c光学和红外热图像显示由丁烷气凝胶喷射的温度分布。d显示分层互穿网络的陶瓷纳米纤维气凝胶的SEM图像。e闭合细胞壁吸声机制示意图。f氧化石墨烯负载量对气凝胶降噪系数(NRC)和气流阻力的影响。g相关气凝胶吸收系数的变化。h Zr(OH)4@PVB/SiO2纳米纤维气凝胶的SEM图像，显示其分层结构。i气凝胶降解DMMP的机理。j DMMP转化率与反应时间的关系图。k初始提取和30分钟DMMP色谱图。

结论和展望

本文综述了电纺SNFs的研究进展，包括从实体到芯鞘的合理结构设计、中空、多孔、分层、取向和三维组装等结构，以及相关的合成策略，包括同轴静电纺丝法、牺牲模板法、原位生长法、冻干法等。此外，还讨论了电纺SNFs的力学行为，重点讨论了优越柔韧性的来源和增强柔性的有效手段。由于其优异的特性，如可调节的形态、高孔隙率、可修饰的表面和化学稳定性，电纺SNFs在许多领域显示出巨大的潜力，特别是在物理保护(如保温、吸声和有毒物质降解)、保健(如组织工程、蛋白质分离和抗菌)和水处理(如去除污染物、油水分离、和太阳能海水淡化)。

尽管已经取得了很大的进展，但在电纺SNFs的设计、制备和应用方面仍存在许多挑战，需要进一步开展工作。本文提出了一些看法，希望对该领域的快速发展起到建设性作用。

1）目前的研究主要集中在电纺纳米纤维的核鞘结构、多孔结构、分层结构等方面，尚未开发出更有吸引力的纳米结构。例如，在静电纺丝聚合物材料中广泛报道的蜘蛛网状二维纳米网。这些纳米网具有超细直径(10 ~ 40 nm)和小孔径的高孔隙结构，在能量、过滤和保护应用方面具有很大的潜力。

2）静电纺SiO2纳米气凝胶作为一种很有前途的新材料，近年来得到了广泛的研究。目前，静电纺丝SiO2纳米纤维气凝胶的制备方法主要有冷冻干燥法和层状叠加法，并在许多领域进行了应用探索。然而，目前制备SiO2纳米纤维气凝胶的方法一般都是繁琐、耗时和耗能的，特别是涉及到从静电纺丝SNFs中获取短纤维浆液和随后的冷冻干燥。最近，3D反应静电纺丝制备纳米气凝胶的新方法为开辟了新途径。该方法成功的关键是调节无机溶胶射流的凝胶化速率，从而实现射流形状的精确控制。

3）目前柔性SNFs膜的抗拉强度一般小于5 MPa，而冷冻干燥法制备的SiO2纳米纤维气凝胶的压缩应力一般小于20 kPa。这些材料仍难以满足某些特定应用对力学性能的要求。进一步提高纳米纤维的力学性能是目前急需解决的问题。解决这一问题的关键在于制备高韧性的单SiO2纳米纤维。在此基础上，建立纳米纤维之间的强粘附结构或改善纳米纤维的取向可能是提高纳米纤维力学性能的有效策略。

挑战伴随着机遇，困难伴随着希望。尽管未来还将面临许多问题，但静电纺丝技术无疑仍是制备先进SNFs最有力的武器。未来，SNFs的快速发展将通过材料科学、材料力学和机械工程等多学科知识的交叉融合来实现。作者坚信，随着电纺SNFs的不断推进，其设计、制造和应用将会有一个令人兴奋和光明的未来。

论文信息：Liu, C., Wang, S., Wang, N. et al. From 1D Nanofibers to 3D Nanofibrous Aerogels: A Marvellous Evolution of Electrospun SiO2 Nanofibers for Emerging Applications. Nano-Micro Lett. 14, 194 (2022). https://doi.org/10.1007/s40820-022-00937-y