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  能源問題在工業(yè)社會中一直是困擾經(jīng)濟發(fā)展的重要問題，能源利用帶來的經(jīng)濟利益與人居環(huán)境之間的矛盾日益突出。新型能量轉(zhuǎn)換與存儲裝置作為人類賴以生存的重要組成部分，與經(jīng)濟、社會和環(huán)境的發(fā)展密不可分。太陽能、風(fēng)能等清潔能源的開發(fā)利用需要能量存儲裝置，未來的電動汽車或者混合動力汽車等需要大功率的動力裝置，高效率的電池和電容器則是實現(xiàn)上述應(yīng)用的核心器件。因此，與之直接相關(guān)的新能源材料的設(shè)計和開發(fā)是近年來迅速崛起和飛速發(fā)展的研究領(lǐng)域，已成為化學(xué)、材料、物理、能源等學(xué)科交叉研究的前沿?zé)狳c之一。

  一維納米材料是指在空間上有兩維處于納米尺度，而長度方向為宏觀尺度的一類新型納米材料。它作為納米材料的一個重要分支，不但具有傳統(tǒng)納米材料所具有的納米尺度效應(yīng)，而且其特有的長徑比和維度限域效應(yīng)使其成為研究電子傳輸行為、光學(xué)特性及力學(xué)性能等性質(zhì)的理想體系，因而在納米電子學(xué)與光學(xué)器件、傳感器等方面顯示出了重要的應(yīng)用價值。

  高分子納米纖維及其衍生物是一維納米材料的典型代表之一，其兩大重要特征是：大長徑比α（>1000）和較小的纖維直徑。狹義上，納米纖維是指直徑在1~100 nm范圍內(nèi)的纖維，而廣義上1 μm以下的纖維均可稱作納米纖維；較細的纖維直徑是保證材料表現(xiàn)出一定柔韌性的前提，因此纖維超細化是纖維科學(xué)發(fā)展中的一個重要方向。

不同一維納米材料的典型形貌照片：（A）納米管；（B）納米纖維；（C）納米棒；（D）納米線；（E）納米帶；（F）納米電纜。

  高分子納米纖維及其衍生物具有孔隙率高、比表面積大、長徑比大、表面能和活性高、纖維精細程度和均一性高等特點，而且納米材料的一些特殊性質(zhì)（如量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等）也給納米纖維帶來了特殊的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。因而，高分子納米纖維及其衍生物在聚合物增強、分離和過濾、生物及醫(yī)學(xué)治療、電池材料、電子和光學(xué)設(shè)備等許多新興的高科技領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，將納米纖維置于太陽能電池中，其可以最大限度地暴露在太陽光下；作為燃料電池電極材料時，碳納米纖維直徑細、比表面積大、導(dǎo)電性好等特點使其sp²雜化的碳納米結(jié)構(gòu)表面可以發(fā)生盡可能多的催化反應(yīng)；作為新型二次電池或超級電容器電極材料使用時，一維碳納米纖維材料可以提供高效的離子和電子傳輸路徑，使更多的活性位點參與到高效的氧化還原反應(yīng)中。

  此外，電子設(shè)備正向著輕薄化、柔性化和可穿戴的方向發(fā)展，因而與之相適應(yīng)的輕薄且柔性的電化學(xué)儲能器件亟待開發(fā)。然而，傳統(tǒng)的鋰離子電池、超級電容器等產(chǎn)品是剛性的，在彎曲、折疊時，容易造成電極材料和集流體分離，影響電化學(xué)性能，甚至導(dǎo)致短路，發(fā)生嚴(yán)重的安全問題。因此，為適應(yīng)下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展，柔性儲能器件已成為近年來的研究熱點。而高分子納米纖維材料具有柔性、易編織等優(yōu)點，其易于被集成到各種光伏設(shè)備、電子設(shè)備中。不僅如此，當(dāng)前納米纖維材料的發(fā)展已由單一組成向多組分復(fù)合材料、簡單的一維實心結(jié)構(gòu)向多級結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，以及單一功能性向多功能性的方向發(fā)展，其低成本、高效、循環(huán)性能穩(wěn)定等綜合優(yōu)勢必將在未來顯示出巨大的市場競爭力。

高分子納米纖維及其衍生物

  鑒于高分子納米纖維及其衍生物材料在新能源領(lǐng)域的高速發(fā)展勢頭及其商品化的潛在應(yīng)用價值，作者組織撰寫了《高分子納米纖維及其衍生物：結(jié)構(gòu)、制備及新能源應(yīng)用》一書。內(nèi)容涉及高分子納米纖維及其衍生物的特點、發(fā)展方向，高分子納米纖維及其衍生物的種類、制備方法、結(jié)構(gòu)與形態(tài)、測試與表征技術(shù)，高分子納米纖維及其衍生物在光電催化、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、鋰二次電池、其他二次電池等能源轉(zhuǎn)換與存儲領(lǐng)域，以及傳感、智能響應(yīng)、發(fā)光、熱電等功能與智能材料方面的應(yīng)用研究，旨在詳細介紹和推動高分子納米纖維及其衍生物在新能源領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)術(shù)界發(fā)展和工業(yè)界應(yīng)用情況。

  第1章首先介紹了高分子納米纖維及其衍生物的特性。第2章詳細講述了高分子納米纖維及其衍生物的種類與制備方法。高分子納米纖維及其衍生物包括單組分或多組分的天然高分子和合成高分子納米纖維，與無機組分復(fù)合后獲得的有機/無機復(fù)合納米纖維，以及由高分子納米纖維衍生的碳納米纖維、氧化物納米纖維、金屬納米纖維等無機納米纖維。而高分子納米纖維及其衍生物的制備方法有多種，主要包括靜電紡絲、模板合成法、自組裝法、相分離法、拉伸法等。其中，靜電紡絲技術(shù)是制備高分子納米纖維及其衍生物的主要方法之一，其具有工藝簡單、制備快捷、成本低廉、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，被視為最具有工業(yè)化前景的生產(chǎn)納米纖維材料的技術(shù)之一。

高分子納米纖維及其衍生物的主要制備方法

  第3章講述了高分子納米纖維及其衍生物的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，作者首先介紹了單根纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括多孔結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)、樹枝狀結(jié)構(gòu)、項鏈結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)；再拓展到纖維集合體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如無規(guī)堆積、取向陣列、三維重構(gòu)氣凝膠、圖案化結(jié)構(gòu)和納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)。第4章歸納總結(jié)了高分子納米纖維及其衍生物的測試與表征技術(shù)，分別從組成、結(jié)構(gòu)、形貌、熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)等不同方面介紹了納米纖維的表征方法，為揭示納米纖維的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了更為深入和透徹的研究方法和分析表征技術(shù)。

高分子納米纖維及其衍生物的測試與表征技術(shù)

  第5章和第6章分別介紹了高分子納米纖維及其衍生物在光電催化、燃料電池和太陽能電池等能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，以及超級電容器、鋰二次電池、其他二次電池等能源存儲領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

  第7章講述了高分子納米纖維及其衍生物在傳感、智能響應(yīng)、發(fā)光、熱電等功能與智能材料方面的應(yīng)用研究。高分子納米纖維及其衍生物憑借其獨特的離子和電子傳導(dǎo)路徑，柔性、可編織的優(yōu)勢，在下一代輕薄化、柔性化和可穿戴的智能電子設(shè)備和柔性儲能器件領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)然，在納米纖維材料制備過程中如何有效調(diào)控功能性納米粒子的聚集方式、其與聚合物基體間的界面結(jié)構(gòu)、以及加工復(fù)合工藝等，從而制備出適合需要的、集高性能與多功能一體化的高性能納米纖維復(fù)合材料是未來研究中的關(guān)鍵。

著者簡介

  劉天西，東華大學(xué)材料學(xué)院教授、博導(dǎo)、纖維材料改性國家重點實驗室副主任。曾獲教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才（2004）、上海市青年科技啟明星（2004）及其跟蹤計劃（2009）、上海市曙光學(xué)者（2009）、國家杰出青年科學(xué)基金（2011）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人（2017）、上海市領(lǐng)軍人才（2017）等項目資助。現(xiàn)任Composites Communications (Elsevier) 副主編、Functional Composite Materials (Springer Nature) 副主編、Advanced Fiber Materials (Springer Nature) 副主編、中國復(fù)合材料學(xué)會納米復(fù)合材料分會主任。

  主要研究方向：高分子納米復(fù)合材料、納米纖維及其復(fù)合材料、有機-無機雜化材料、新能源材料及器件。迄今在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等SCI刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文280余篇，他引1萬余次，H 因子 58；2016~2018連續(xù)三年入選英國皇家化學(xué)學(xué)會(RSC)“Top 1% 高被引中國學(xué)者”(材料類)榜單；已獲授權(quán)中國發(fā)明專利二十余項；出版中英文專著各一部。

  本文摘編自劉天西著《高分子納米纖維及其衍生物：制備、結(jié)構(gòu)與新能源應(yīng)用》。