直接甲醇燃料电池（DMFC）凭借其优越的能量转化效率、可再生燃料特性及近零排放优势，被视为极具发展潜力的清洁能源技术之一。但目前DMFC电极主要采用浆料涂覆工艺制备，该技术需将电催化剂、导电剂和聚合物粘结剂复合并负载于碳基基底，不仅制备流程复杂、成本高昂，且绝缘粘结剂的引入会导致界面阻抗显著增加，限制电池整体性能。此外，催化剂与基体结合力弱易造成活性材料在使用过程中脱落。因此，开发无粘结剂自支撑电极在推进DMFC技术发展的过程中尤为重要。

近日，北京科技大学李从举教授团队在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Tailoring porosity and diameter into carbon nanofiber membrane: freestanding electrodes with mechanical flexibility and catalytic functionality in direct methanol fuel cell”。研究者通过静电纺丝和高温热解工艺，制备出自支撑、柔性的聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合纳米纤维膜。与纯PAN碳纳米纤维膜相比，引入PVP的碳纳米纤维膜呈现出更好的断裂伸长率，且当PVP含量15%时达到最佳，说明其具有更好的柔韧性。

图1：PCNF-15-250纳米纤维膜的制备和热重分析。

此外，PCNF-15-250碳纳米纤维膜在经历一次完整的折叠循环后，能够完全恢复原状而不出现断裂，这证实了PVP热解所产生的多孔结构有效提升了纤维膜的应力分散能力。且PCNF-15-250碳纳米纤维膜可承受缠绕、弯曲、折叠等多种复杂形变而不破裂，证实其在自支撑电极中具有一定的应用潜力。  

图2：在不同预氧化温度下所得碳纳米纤维膜的SEM和TEM图。

图3：在不同PVP含量下所得碳纳米纤维膜的SEM和TEM图。

图2和3 说明了随着预氧化温度的升高，纤维直径逐渐减小，这归因于较高的预氧化温度加剧了PAN和PVP的热解反应，热解作用导致了更大的质量损失，从而在碳化后促进了纤维的收缩。此外，随着PVP含量的增加，碳纳米纤维的直径逐渐减小，这是由于随着前驱体溶液中PVP含量的增加，纺丝溶液的粘度降低，从而增强了拉伸效应，导致制得的纳米纤维直径逐渐减小。适当直径的碳纳米纤维可以分散应力使其柔韧性增加。

图4：所制备碳纳米纤维膜的结构表征。

上述结果表明，引入PVP的碳纳米纤维其柔韧性均显著优于原始CNF。这一改善归因于PVP热解所形成的多孔结构，该结构能够在受力时促使应力有效分散，从而提升了纤维的抗拉强度。且PCNF-15-250具有较大的比表面积，能暴露更多有效的或行活性位点，有望作为DMFC中的自支撑电极材料。

图5：不同预氧化温度下所得样品的元素组成分析。

图6：不同含量PVP条件下所得样品的元素组成分析。

XPS分析结果表明不同碳纳米纤维中元素的化学结构相同，进一步验证了纳米纤维的结构的相似性。且吡啶氮能够调控局部电子结构，并作为氧还原反应（ORR）的活性中心；而石墨氮则主要提升催化剂的导电性，以促进相邻sp²杂化碳之间的电子传输。这项工作阐明了一种经济高效的柔性自支撑电极合成策略，为克服传统电极的界面阻抗和机械脆弱性问题提供了一种新的思路。

图7 CPNF-15-250的ORR催化活性及其在DMFC中的应用。

具有最优直径与孔隙结构的PCNF-15-250表现出一定的ORR电催化活性，其极限电流密度达3.64 mA cm‒2，半波电位为0.67 V (vs. RHE)；当用作DMFC自支撑阴极时，实现了8.74 mW cm‒2的峰值功率密度，证实了其在能源转换设备中的实用价值。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139523

人物简介：

李从举，北京科技大学能源与环境工程学院教授，博士生导师，致力于静电纺纳米纤维研究及产业化设备和技术，入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才等。研究成果获得中国专利奖、中关村十大创新成果、香港桑麻纺织科技一等奖等。在Advanced Materials、ACS NANO、Advanced Science、Water Research等期刊发表论文200余篇。