研究背景：

化石燃料的过度开采造成的能源和环境问题，严重危害人类的生存和发展。构建高效的能源转换和存储系统，最大限度地利用可再生能源，对减少环境危害具有重要意义。碳纤维材料由于其优异的电导率和良好的柔韧性以及在电催化和储能方面的高催化活性显示出相当大的优势。静电纺丝作为一种简单、低成本的技术，可以用来制备各种的碳基纳米纤维并用于能源转换和存储。

文章简介：

近日，济南大学刘宏团队对近几年静电纺丝衍生功能碳材料用于能量转换和存储的研究内容进行了综述。相应综述以“Electospinning-derived functional carbon-based materials for energy conversion and storage”为题发表在期刊Chinese Chemical Letters上，济南大学硕士研究生任新宇为第一作者，刘宏教授，王金刚教授、余加源教授为共同通讯作者。文章系统总结了静电纺丝技术的发展历程以及基本原理，讨论了静电纺丝衍生材料的合成策略，展示了静电纺丝衍生材料在能量转化与存储方面的研究进展，并讨论了该领域面临的挑战和未来的发展方向。

图1. 静电纺丝衍生材料及其应用的领域。

研究内容：

1、静电纺丝技术

主要介绍了静电纺丝技术的发展历程，基本设备，基本原理和静电纺衍生功能碳基材料的合成策略，以及总结了静电纺丝衍生材料用与能量转化与存储的适用性。

图2. 基于静电纺丝制备的碳基材料。

2、静电纺衍生材料用于能量转换

1.氮还原

主要介绍了目前解决N₂还原为氨的效率问题的研究进展。非金属电催化剂可以有效提高NRR的FE和产率。

图3. 静电纺丝制备的非金属碳纤维用于氮还原。

2.二氧化碳还原

利用电化学技术可以有效缓解CO₂过量问题。设计多孔的单原子材料一方面增加二氧化碳的吸附量，一方面提高原子利用率，可以有效提高CO₂RR的效率，并且根据活性位点的不同选择性获得产物。

图4. 静电纺衍生多孔碳纤维膜可直接作为气体扩散电极。

3.氧还原

在燃料电池中，氧还原是一个重要的半反应。开发低成本催化剂用于提高ORR效率是非常有前景的。过渡金属催化剂和无金属催化剂展现了很大的潜力。

图5.采用静电纺丝方法制备的柔性电极材料，可用来提高燃料电池的功率。

析氢反应

氢是一种具有很大应用前景的清洁能源。开发析氢反应电催化剂是一个安全简单的氢合成策略。单原子催化剂具有稿原子利用率的特点，展现了高效的催化能力。

图6. 采用静电纺丝制备的单原子催化剂展现了优异的HER催化性能。

5.析氧反应

OER自身的缓慢动力学阻碍了其发展的应用。基于静电纺丝制备的催化剂展现了高效的OER催化性能。

图7. 静电纺丝制备的OER催化剂具有多孔结构，有较高的BET比表面积。

6.水裂解

利用静电纺丝合成高熵合金材料用于催化电解水，可以同时促进产氢产氧，为电催化剂的制备提供了新思路。

图8. 静电纺丝制备的高熵合金活性位点展现了优异的电解水催化性能。

3、静电纺衍生材料用于能量存储

1．超级电容器

根据机理的不同，电容器可分为赝电容和双电层。静电纺丝技术可以制备不同材料用于提高这两种电容器的存储能力。

图9. 静电纺丝制备的电极材料提高了电容器的存储能力。

2．电池

提高电池效率可以通过设计高效的电极材料来实现。通过静电纺丝可以设计稳定高效的电极材料用于钠离子电池和锂离子电池。静电纺丝技术为设计柔性电极提供了新方法。

图10. 静电纺丝设计的柔性电极材料促进了Na⁺,Li⁺的传输。

结论与展望：

本文总结目前利用基于静电纺丝技术制备的材料用于能量转化与存储的研究。虽然，静电纺丝技术在量产等方面还存在一定问题，但其发展是光明的。

致谢：

感谢山东省自然科学基金项目(ZR2022QE076)和国家自然科学基金项目(52202092)项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001841723010331

人物简介：

刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在Adv.Mater., Nano Lett., ACS Nano, J. Am. Chem.Soc等学术期刊上发表SCI文章400余篇，总被引次数超过26000次，H因子为78，30余篇文章）入选高被引论文。2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2022连续五年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获得山东省自然科学一等奖。

王金刚，济南大学前沿交叉科学研究院副院长，教授，博士生导师。主要从事环境纳米材料和生物材料的合成研究。近年来，主持了包括省重大创新工程、省重点研发计划、省自然科学基金、省中青年科学家基金等在内的多项科研项目，获山东省自然科学二等奖一项，在包括Nano Energy，ACS Nano, Chem Eng J, J Hazard Mater等学术期刊上发表SCI文章60余篇，授权专利10余项。

余加源，济南大学前沿交叉科学研究院教授，硕士生导师。主要研究集中在碳基材料设计、固废资源化制备高活性电催化剂用于能源小分子制备，解决能源与环境交叉融合过程中的关键科学与技术问题。近5年，共发表SCI论文55余篇，其中以第一/通讯（含共同）作者在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B Environ., Adv. Sci., Nano Energy, Nano-Micro Lett.等期刊发表一区论文21篇，ESI高被引论文3篇，h因子26，被它引>2000余次。主持国家自然科学青年基金项目和山东省自然科学青年基金项目各1项。担任Material特刊客座编辑、燃料化学学报学术编辑；获中国颗粒学会自然科学二等奖（3/5，2022），2023年第一季度威立Wiley中国开放科学高贡献作者奖。

任新宇，济南大学前沿交叉科学研究院，2021级硕士研究生。主要研究方为电化学硝酸根还原为氨，以第一作者在Chinese Chemical Letters期刊发表SCI论文一篇。