随着工业和技术的迅猛发展，能源短缺和环境恶化已成为两大棘手的全球性问题。多孔工程静电纺丝纳米纤维材料具有高度定制的孔隙陷阱、拓扑多孔通道和高表面积，引起了研究者的广泛关注，成为环境和能源应用的热点话题。然而，关于1D纳米纤维、2D纳米纤维膜和3D纳米纤维气凝胶的跨尺度成孔策略，特别是纤维内和纤维间孔隙的多尺度设计和结构工程的综述文章未有报道。

鉴于此，东华大学丁彬教授和斯阳研究员发表综述，系统地介绍了1D纳米纤维、2D膜和3D气凝胶中超微孔、中孔和大孔的设计、合成和多孔工程方面所取得的进展。此外，还重点研究了结构-性能的相关性。介绍了多孔纳米纤维材料在环境和能源领域的多功能应用。最后，提出了静电纺多孔纳米纤维材料发展的挑战、机遇和未来展望。相关研究成果以“Electrospun porous engineered nanofiber materials: A versatile medium for energy and environmental applications”为题目，发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。

1、基于静电纺丝的多孔纳米纤维材料

自利用静电纺丝技术成功制备纳米纤维多孔材料以来，静电纺多孔材料一直处于纳米技术的前沿，其多孔结构的形成和优化一直是研究的重点，以满足各种实际应用的诸多要求。值得注意的是，经过20多年的发展，研究者开发了许多策略来生成1D纳米纤维内部的多孔结构，以及调节2D纳米纤维膜和3D气凝胶的纤维间多孔结构（图1）。关键是在深入了解底层机理的基础上，为特定应用场景设计和制造最佳孔隙结构。

图1 近20年来，一维多孔纳米纤维、二维多孔纳米纤维膜和三维多孔纳米纤维气凝胶的合成进展。

2、静电纺纳米纤维、膜和气凝胶的孔隙结构设计

纤维内孔隙结构：具有定制化和持久拓扑结构的纤维内孔隙，在各种能源和环境处理中具有重要的价值。与取向静电纺纳米纤维相比，多孔纳米纤维通常表现出更强的活性和性能。因此，在单个静电纺丝纳米纤维中定制良好的多孔纳米结构吸引了化学和材料界研究人员的强烈兴趣。在特定应用中(如催化剂载体、药物传递等)，含有介孔位点、通道的纳米纤维具有2-50 nm的较大尺寸和相互连接的框架，通常表现出更高的负载能力、更强的活性位点可达性和更低的传质阻力。大孔纤维材料通常在储能、组织工程、电极等场景中具有一定的优势。

图2 静电纺丝原理，纳米纤维内部、纤维表面和纤维间隙的孔结构示意图。

纤维外表面孔隙结构：表面有孔的静电纺纳米纤维的设计与制备根据不同的策略可分为两种主要类型，包括静电纺丝过程中的原位相分离和二级纳米结构在单个纳米纤维上生长后存在分层孔隙（2k-r）。在典型的纺丝过程中，通过调节相对环境湿度和溶剂组成来调节溶剂和水的蒸汽压，从而决定纳米纤维的孔隙是在内部还是在表面。

3、聚合物基多孔静电纺丝纳米纤维材料

聚合物具有成本低、柔性好、易加工等优点，是制备静电纺多孔纳米纤维材料的主要原料。到目前为止，研究者开发了多种不同的成孔策略，来调节聚合物静电纺纳米纤维材料的纤维内和纤维间的多孔结构。本节作者综合介绍了多种成孔方法各有的优缺点。

图3 利用非溶剂诱导相分离、蒸汽诱导相分离和后处理方法合成静电纺多孔聚合物纳米纤维材料。

4、碳基多孔静电纺丝纳米纤维材料

碳基多孔纳米纤维材料具有极高的比表面积、分级多孔结构、缺陷位点丰富、高导电性、高强度、化学惰性和热稳定性等优点，有望成为能源转化和环境修复的先导平台。静电纺丝前驱体，然后固化和碳化是合成多孔碳纳米纤维，及其具有定制形态和纳米结构的简便和直接方法。然而，与多孔聚合物纳米纤维相比，多孔碳纳米纤维的制备原理和过程要复杂得多。在本节中，作者回顾了在单个碳纳米纤维内部生成孔隙，以及操纵2D和3D聚集体交织碳纳米纤维之间的孔隙结构的系统和详细方法。

图4 1D多孔碳纳米纤维内部孔结构、2D碳纳米纤维膜和3D碳纳米纤维气凝胶纤维间孔结构的合成方法。

5、陶瓷基多孔静电纺丝纳米纤维材料

目前，陶瓷纳米纤维材料的微观、中观、宏观或分层多孔结构的设计和合成已成为研究热点，这将提高其在储能、光电器件、催化、生物医学器件和超灵敏传感等各种应用领域的独特性能。在本节中，作者将陶瓷基多孔静电纺纳米纤维材料的制备方法总结为四个基本类别，包括(i)通过溶胶-凝胶相分离形成纤维内孔隙，(ii)后处理生成陶瓷纳米纤维内部孔隙，(iii)裁剪2D膜的纤维间孔隙，以及(iv)操纵3D气凝胶和海绵的纤维间孔隙结构。

图5 1D多孔陶瓷纳米纤维内部孔结构、2D陶瓷纳米纤维膜和3D陶瓷纳米纤维气凝胶纤维间孔结构的合成方法。

6、静电纺多孔纳米纤维材料的能源与环境应用

在过去的几十年里，静电纺多孔纳米纤维材料被赋予了“量身定制的智能功能”的特性，以实现各种环境和能源应用，包括气体吸附和分离、有机溶剂纳滤、能量存储和转换、电化学催化和水处理等。

图6 静电纺多孔纳米纤维材料在气体吸附、分离、储存方面的应用。

图7 静电纺多孔纳米纤维材料在电化学能量储存与转换方面的应用。

7、结论与展望

新型纳米纤维多孔材料具有高度定制的多孔结构(尺寸、取向和表面化学)和框架鲁棒性，是各种应用的关键新兴平台，特别是在能源和环境相关领域。尽管在用于环境和能源应用的静电纺多孔纳米纤维材料工程方面已经取得了重大进展，但未来仍有几个挑战需要解决:

1）从单个纳米纤维的精确孔隙拓扑结构来看，需要更先进和创新的策略，以高度有序的方式构建可定制的纳米孔。为了在静电纺纳米纤维内部构建有序的纳米孔隙，应该发展分子工程来精确调节孔隙拓扑结构。

2）第二个挑战是合成具有高机械强度的纳米纤维多孔材料。受复合材料力学增强的启发，在多孔纤维骨架中构建柔软弹性的聚合物组分可有效提高纳米纤维多孔材料的力学性能。

3）第三个挑战是大规模生产1D、2D和3D静电纺丝多孔纳米纤维材料。对多通道喷丝器设计的深入研究和更多聚焦于纳米纤维形成机制的理论研究，可能会在未来提高静电纺多孔纳米纤维的生产率。

4）最后，从基本机理的角度，系统阐明静电纺多孔纳米纤维材料的孔隙结构、表面环境和界面化学对其在能量和环境过程中的性能的影响。