DOI:10.1039/d2ta05984c

气凝胶是在确保固体网络的前提下，利用空气取代凝胶的液体溶剂而产生的高度多孔结构。近期，诸多研究以1D聚合物纳米纤维为基础模块，以开发具有物理缠结和/或化学交联纤维网络的新型3D纤维气凝胶。3D纤维气凝胶不仅具有固有的气凝胶特性，如开孔结构、低密度、高比表面积和大孔隙率，而且还受益于聚合物纳米纤维的固有特性，包括优异的机械柔性和韧性、广泛的材料选择和附加功能。本文系统综述了近年来三维纤维气凝胶的制备和应用研究进展。介绍了构建3D纤维气凝胶的相关策略，包括静电纺丝、溶液吹纺、冷冻干燥、热诱导自团聚和碳化。重点介绍了在能源（例如压力传感器、摩擦电纳米发电机、电磁干扰屏蔽等）和环境（例如空气过滤、隔热、界面太阳能蒸汽生成等）中的典型应用。最后，讨论了3D纤维气凝胶的制备挑战、使用限制以及未来发展趋势。

图1.3D纤维气凝胶的制备过程示意图及其在能源和环境方面的潜在用途。

图2.静电纺丝工艺设计和参数。（a）静电纺丝工艺示意图。（b）不同类型的注射器。（c）无针静电纺丝工艺示意图。（d）各种加工参数对电纺纳米纤维形态和直径的影响概述。

图3.通过静电纺丝工艺制备的3D纤维气凝胶的微观结构。（a）3D PSU/PU纤维气凝胶制备示意图。（b）照片和扫描电子显微镜（SEM）图像显示了3D PSU/PU纤维气凝胶的层状波纹微观结构。（c）具有不同PU含量的3D PSU/PU纤维气凝胶的SEM图像，以及（d）体积和孔隙密度。（d）3D PSU/ZrC纤维气凝胶的制备。（e）3D PSU/ZrC纤维气凝胶的合成步骤。（f）图像显示了3D PSU/ZrC纤维气凝胶的柔软性和韧性。（g）照片显示了3D PSU/ZrC纤维气凝胶的超轻特性。（h）3D PSU/ZrC-12纤维气凝胶在不同放大倍率下的微观结构。

图4.通过静电纺丝工艺制备的3D纤维气凝胶的可逆压缩性。（a）FR PSU/PU-20纤维气凝胶在20%、40%、60%和80%不同应变下的压缩σ–ε曲线。（b）FR PSU/PU-20纤维气凝胶在ε=50%下进行100个周期的疲劳压缩试验。（c）图像显示，FR PSU/PU-20纤维气凝胶可以从大的压缩变形中快速恢复。（d）最大应力、压缩模量和能量损失系数与压缩循环数之间的关系。（e）图像显示，3D PSU/ZrC-12纤维气凝胶可以从大的压缩变形中快速恢复。（f）层状纤维网和（g）桥接纤维微观结构演变的原位观察。

图5.SBS工艺设计策略。（a）滚筒接收示意图。（b）具有单针喷丝头的SBS装置。（c）具有多针喷丝头的SBS装置。（d）KV-SBS流程图。（e）运行KV-SBS设备的照片。（f）在KV-SBS过程中使用高速摄像机拍摄的喷射溶液。（g和h）3D空间中与纤维摆动模式耦合的气流速度值的CFD模拟结果。

图6.通过SBS工艺制备的3D纤维气凝胶的微观结构。（a）TiO2纤维气凝胶的光学照片。（b）立在狗尾草上的超轻TiO2纤维气凝胶。（c和d）TiO2纤维气凝胶的不同放大倍率SEM图像。（d）通过KV-SBS工艺制造的千克级PS纳米纤维的照片。（e和f）PS纤维气凝胶的光学照片和SEM图像。（g）通过KV-SBS工艺制备的各种气凝胶的照片。（h）TiO2纤维气凝胶压缩过程的原位SEM图像。（i）10%至30%应变下TiO2纤维气凝胶的循环压缩应力-应变曲线。（j）TiO2纤维气凝胶在23%应变下进行100次循环的循环压缩应力-应变曲线。（k）压缩过程中的放大SEM图像。

图7.冷冻干燥过程中分层微孔结构的形成机制和微观结构。（a）分层微孔结构的形成机制。（b）照片显示了在叔丁醇中的不同浓度冷冻纳米纤维分散体。顶部值表示体积变化。（c）不同形状3D纤维气凝胶的光学照片。（d-f）3D纤维气凝胶在不同放大倍率下的SEM图像。（g）相关结构尺寸的示意图。（h）冷冻条件对气凝胶微观结构的影响。（i-k）SEM图像显示了不同vf（冻结界面速度）下获得的气凝胶在中心高度7.5mm处的横截面。

图8.通过冷冻干燥工艺制备的3D纤维气凝胶的可逆压缩性。（a和b）SEM图像显示了纤维素纳米纤维与PVA的结合。（c）照片展示了3D纤维素纳米纤维气凝胶在压缩/弯曲力条件下的弹性。（d-g）不同放大倍率下SiO2/PVA/CCA纤维气凝胶的SEM图像。（h）SiO2/PVA/CCA纤维气凝胶的压缩应力，以及（i）1000次加载-卸载压缩循环测量。（i）SNF气凝胶的SEM图像。（j）气凝胶随着ε增长的压缩σ–ε曲线。（k）示意图显示了气凝胶在三种结构层次上的压缩过程：二氧化硅纳米纤维气凝胶、单根纳米纤维和交联网络。

图9.通过TISA工艺制备的3D PCL基纤维气凝胶的微观结构。（a）TISA工艺制备的3D PCL纤维团聚物照片：（a1）热处理前短纳米纤维和PCL碎片的均匀悬浮；以及分别在55℃下加热（a2）30s、（a3）60s、（a4）90s、（a5）120s、（a6）150s和（a7）180s后的悬浮液。（b）3D PCL纤维气凝胶的宏观形貌和（c和d）SEM图像。（e）SEM图像显示了3D CA/PCL纤维气凝胶内表面的典型形貌。

图10.通过TISA工艺制备的3D PCL基纤维气凝胶的可逆压缩性和微观结构。（a）3D PCL纤维气凝胶的高压缩性和弹性。（b）SEM图像显示了3D电纺PCL/PLA纤维支架的典型形态。（c）两种干燥条件下，PCL-3D和PCL/PLA-3D纤维气凝胶的压缩应力-应变曲线。（d）SEM图像显示了PCL/HA涂覆纤维气凝胶的代表性形态。（e）PCL/HA-3D纤维气凝胶的杨氏模量。

图11.CNFAs的制备工艺和微观结构。（a）CNFAs的合成步骤示意图。（b）CNFAs在不同放大倍率下的SEM图像。（c）CNFAs制备工艺示意图。（d）CNFAs的SEM图像表明，CNFAs完全继承了BC的分层结构。

图12.CNFAs的可逆压缩性。（a）CNFAs沿加载方向的压缩σ–ε曲线。（b）在压缩ε下的纤维细胞壁倒置示意图。（c）1000次循环疲劳压缩试验，ε为50%。（d）典型CNFAs的压缩和恢复过程。（e）不同压缩应变下CNFAs的应力-应变曲线。（f）CNFAs在80%应变下进行100次循环的应力-应变曲线，以及（g）显示CNFAs压缩变形的示意图。

图13.用于空气过滤的3D纤维气凝胶。（a）SNF气凝胶捕获的污染物图示。（b）不同尺寸颗粒在85L/min下的去除效率。（c）三种材料在85L/min下捕获不同尺寸颗粒的品质因数。（d）气凝胶空气过滤过程的图示。（e）CSAs-Cl的可再生抗菌和抗病毒性能。（f）含病毒的气溶胶发生器以及使用气凝胶和3M过滤器的抗病毒测试。（g和h）过滤器所选三个区域的抗病毒特性。

图14.3D纤维气凝胶的隔热性能。（a）ANF气凝胶在不同方向上的热导率。（b）显示PI气凝胶隔热性能的红外相机图像：在PI气凝胶的辅助下可手持一块热铁板（约376℃）。（c）纯纤维素纳米纤维气凝胶、纯Al-MIL-53颗粒和CAM气凝胶的红外侧视图，以及顶部表面的温度。（d）与Fe、SiO2和Al2O3材料相比，陶瓷纤维气凝胶在保护新鲜花瓣不枯萎方面的隔热能力更强。（e）在350℃加热台上加热30分钟的陶瓷纤维气凝胶的光学和红外图像。（f）暴露在丁烷喷灯下120秒的陶瓷纤维和气凝胶的光学图像和红外图像。（g）丁烷喷灯火焰下正面的光学照片。（h）10分钟加热过程中背面的红外图像。

图15.用于压力传感器的3D纤维气凝胶。（a）在10Pa的压力下加载和卸载豌豆时，压力传感器的响应和松弛。（b）正常条件下测量人的颈部脉搏，指示每分钟72次，（c）3D导电气凝胶的电阻变化。（d）传感器阵列概念验证矩阵示意图。（e）PINF/MXene气凝胶在不同压缩应变/压力水平下的循环压阻传感性能。（f）PINF/MXene气凝胶用作实时检测摇头的压力传感器的传感性能。（g）3D纤维气凝胶的Rt/R0–压缩应变曲线。（h）基于压缩3D纤维气凝胶的电路在不同应变下的照片。（i）不同手指的弯曲信号。

图16.摩擦发电机的结构和工作原理示意图。（a）TENGs的示意图和工作原理。（b）基于致密薄膜和多孔气凝胶的TENGs的表面电荷密度比较。（c）基于纤维素纳米纤维的TENGs的示意图：纤维素纳米纤维-壳聚糖混合气凝胶与PDMS或PI配对。纤维素纳米纤维-聚乙烯亚胺（PEI）混合气凝胶与PVDF配对的示意图。

图17.基于3D纤维气凝胶的TENGs产生的电能的线性叠加测试和存储及其在驱动商业LEDs中的应用。（a）一个迷你TENG即刻点亮26个绿色和蓝色LEDs。（b）纤维素纳米纤维气凝胶和含10%PEI的纤维素纳米纤维/PEI气凝胶的开路电压。（c）两个月以上TENG的输出稳定性测试。（d）使用浓度为2%的丝素溶液制备的丝素气凝胶的摩擦电输出电压。（e）STENGs连续运行40分钟的输出电压。（f）使用STENG充电的10mF电容器点亮两个LEDs。（g）将PBOA/PEO TENGs与电阻器（1GΩ）连接，并记录电阻器上由手指弯曲和伸直产生的脉冲电压。（h）PBOA/PEO TENGs的开路电压和短路电流密度。（i）由PBOA/PEO TENGs点亮LED灯泡的照片。

图18.3D纤维气凝胶作为超级电容器的电极材料。（a）oPP-33.3@MnO2-2h混合碳气凝胶的TEM图像。（b）oPP-33.3@MnO2-xh混合碳气凝胶在50mVs扫描速率下的CV曲线（其中x分别为0.5、1、2和4）。（c）oPP-33.3@MnO2-xh混合碳气凝胶在50mV/s扫描速率下的循环稳定性。（d）NCNFAs的SEM图像。（e）NCNFA电极在10mV/s时的CV曲线。（f）超级电容器的实际应用，插图显示了由两个串联超级电容器供电的LED。

图19.用于EMI的3D纤维混合气凝胶。（a）SEM图像，（b）电导率直方图，以及（c）Ti3C2Tx/ANF混合气凝胶的微波反射（SER）和微波吸收（SEA）比较。（d）Co/C@纤维素纳米纤维气凝胶的SEM图像。（e）不同温度下，Co/C@纤维素纳米纤维气凝胶X波段的平均SET、SEA和SER值。（f）曾报道过的任何气凝胶/泡沫/海绵的屏蔽性能比较。（g）各向异性和各向同性Ti3C2Tx/ANF气凝胶的比较。（h）各向异性Ti3C2Tx/ANF气凝胶的EMI机理。

图20.用于水处理的3D纤维气凝胶的各种功能。（a）UECA对不同有机化合物的吸收能力。（b）清除水面上的泵油。（c）从水底收集氯仿（含苏丹I染料）。（d）数字图像显示了PINF/MXene混合气凝胶表面不同液滴的状态。（e）气凝胶（2wt%SiO2 NPs）表面上的水粘附（顶部）和油渗透（底部）的动态测量。（f）使用气凝胶对油包水乳液进行简易重力驱动分离的分离装置，以及分离前后乳液的显微图像。（g）从油包水乳液中连续收集纯油的集油装置的照片。（h）水附着力动态测量照片（顶部）以及气凝胶表面上水滴和油滴的照片（底部）。（i）碳气凝胶对各种有机液体的吸收效率。

图21.用于界面太阳能蒸汽生成的3D纤维气凝胶。（a）用于界面太阳能蒸汽生成的定制气凝胶示意图。（b）不同纤维气凝胶的UV-vis-NIR吸收光谱和AM1.5G的光谱。（c）泡沫上不同气凝胶的质量变化。（d）太阳能蒸汽生成示意图。（e）不同光照强度下水随时间推移的质量损失。（f）3D纤维气凝胶（黑点）在一天中6点至18点的蒸发速率（红点显示了不含3D纤维气凝胶的空白烧杯的蒸发速率）。插图显示了3D纤维气凝胶经一天中阳光照射开始和结束时的照片，没有观察到盐沉积。（g）在1个太阳照射下基于PTCNFAs的太阳能蒸汽生成装置的示意图。（h）蒸发蒸汽随时间推移的质量变化。（i）黑暗条件下的水蒸发率比和计算的等效焓。