电纺碳纳米纤维在能源应用中面临的关键问题持续的方法和挑战

　　Nanoscale：电纺碳纳米纤维在能源应用中面临的关键问题：持续的方法和挑战
　　DOI: 10.1039/D0NR03425H 电纺碳纳米纤维（CNFs）具有一维（1D）形态、可调尺寸、机械柔性、自身功能和可添加到自身的功能，在超级电容器、电池和燃料电池等储能和转换方面得到了深入的发展和广泛的应用。然而，与石墨烯和碳纳米管对应物相比，常规的固态CNFs往往具有较差的电导率和较低的比表面积。CNFs中精心设计的多孔结构可增加其表面积和反应性，但在孔隙的水平和类型以及机械强度之间存在微妙的平衡。另外，CNFs本身在能量存储和转换中常常表现出不理想的电化学性能，其中一种有效的方法是在CNFs中掺杂某些杂原子，使CNFs具有高而持久的活性。迄今为止，已经提出了多种活化策略，其中一些在解决这些关键问题方面已取得了巨大的成功。在本综述中，研究者重点介绍了近年来在活化电纺CNFs方面的进展，包括提高电导率、调节孔隙结构、掺杂杂原子和增强机械强度，这与其在超级电容器中的应用密切相关。研究了这些活化过程中涉及的基本科学原理及其在增强CNFs电化学性能方面的有效性。最后，重点介绍了工程化CNFs在提高性能方面所面临的一些挑战和未来的展望。
　　图1.（A）电纺CNFs的制备步骤示意图。PAN前驱体的（B）稳定化和（C）碳化过程中的典型化学反应。
　　图2.（A）在热处理过程中通过金属Co催化剂制备高度石墨化的PCNFs的示意图。（B，D）Co-C复合纤维和（C，E）PCNFs的（B，C）SEM和（D，E）TEM图像。（E）中的插图：PCNF的面间距。在（F-I）三电极和（J-M）两电极系统中测量的PCNFs的电化学性能：（F）不同扫描速率下的CV曲线，（G，J）不同电流密度下的GCD曲线，（H）比电容与电流密度的函数关系，（I）奈奎斯特图，（K）对称器件弯曲循环的电容保持率，（L）循环性能和（M）Ragone图。
　　图3.（A）以电纺ZnO纳米纤维为模板合成泡沫PCNFs的示意图。（B）由良好连接的超薄碳纳米气泡组成的单个发泡PCNFs的SEM和（C）TEM图像。（D-G）三电极系统中相应电极的电化学性能：分别在不同的扫描速率和电流密度下获取的（D）CV和（E）GCD曲线。（F）比电容随电流密度的变化。（G）循环稳定性。插图：35000次循环后PCNFs的SEM图像。
　　图4.（A）在900℃下碳化的PAN/Mg（OH）2纳米纤维的SEM图像和（B-D）元素图。柔性N-MCNFs网络的（E）SEM和（F）TEM图像。（G）动态水接触角测试。（H）N-MCNFs的高分辨率N 1s XPS光谱。（I）碳网络中N原子的可能位置。（J）N2吸附-解吸等温线和（K）孔径分布（PSD）图。（L-M）使用三电极配置的N-MCNFs的电化学性能：（L）CV和（M）GCD曲线，（N）在不同电流密度下的比电容。（O）N-CNFs在20 A g-1下的循环耐久性和库仑效率。
　　图5.（A）竹节状CNFs的制备过程示意图。（B）TEOS/PAN纳米纤维、（C）SiO2/碳纳米纤维和（D）竹节状CNFs的TEM图像。所得竹节状CNFs的（E）SEM和（F）HRTEM图像。（G）机械性能。（H，I）三电极测量值：（H）GCD曲线和（I）比电容与电流密度的函数关系。（J-M）全固态柔性超级电容器的电化学性能：（J）GCD曲线，（K）循环寿命，（L）弯曲（1）0和（2）90°以及扭转（3）90和（4）180°的器件数字图像，以及（M）相关的CV曲线和电容保持率。
　　图6.（A）HPCNFs-N的制备示意图。（B，C）PAN/ZIF-8纳米纤维和（D，E）HPCNFs-N样品的（B，D）SEM和（C，E）TEM图像。（F）HPCNFs-N的HRTEM图像、（G）元素映射以及（H）N2吸附-解吸等温线和PSD曲线。（I-M）HPCNFs-N在两电极电池配置中的电化学性能：（I）CV和（J）GCD曲线。（K）比电容随电流密度的变化。（L）循环性能。插图：10000次循环后，HPCNFs-N电极的SEM图像。（M）HPCNFs-N和其他碳基器件的Ragone图。
　　图7.（A，B）使用同轴静电纺丝的双毛细管CNFs（DCNFs）制备过程示意图。DCNFs的（C）SEM和（D）TEM图像。插图是柔性DCNF膜的数字照片和多孔结构的插图。（E）N2吸附解吸等温线和（F）PSD曲线。（G-J）在两电极系统中测得的电化学性能：（G）奈奎斯特图，（H）Ragone图，（I）DCNF基器件弯曲0和90°的数字图像，以及（J）相应的CV曲线。
　　图8.（A）由PAN/bPEI合成的NCNFs的示意图。（B）制备的NCNFs的SEM图像和（C）高分辨率N 1s XPS光谱。（D）三电极配置中NCNFs和纯PAN基CNFs的CV和（E）GCD曲线。（F）Ragone图，插图：对称超级电容器的示意图。（G）柔性设备在不同弯曲水平下的CV曲线。（H）比电容和电容保持率随弯曲角度的变化。插图显示了相关的GCD曲线。
　　图9.（A）通过化学交联静电纺丝和热解制备B/F/N共掺杂的海绵状PCNFs的示意图。（B）三重掺杂PCNF膜的横截面和（C）具有连续大孔的PCNFs在高放大倍数下的SEM图像。（D，E）单个PCNF的TEM图像。（F）PCNFs的元素映射。（G）三重掺杂PCNFs的化学模型。（H）PCNF膜的机械强度。（I）N2吸附解吸等温线和（J）PSD曲线。（K）在不同的热解温度下用不同的PVA含量制备的PCNFs的电导率。（L）对称超级电容器的奈奎斯特图、（M）GCD曲线和（N）循环性能。
　　图10.（A）AGRCNFs的制备过程示意图。（B）AGRCNF膜的机械性能。（C）N2吸附-解吸等温线和（D）PSD曲线。（E）AGRCNFs的拉伸应力和电导率。（F-H）在三电极系统中测试的电化学性能：（F）CV曲线、（G）GCD曲线和（H）速率能力。
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　　来源: 易丝帮