納米顆粒通常具有與本體材料不同的光學，電學，磁學或催化性質。然而，通常納米顆粒的團聚會嚴重影響這些特殊的納米特性，因此，使納米顆粒相互分開，可以長時間地穩定其性能。

加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。

在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。

該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。

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圖1.靜電紡絲過程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉電極上會形成多個泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進行。具有CDP納米顆粒的纖維會大面積地沉積到收集電極上。

圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。該圖顯示了靜電紡絲磷酸二氫銫（CDP）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-聚苯胺（PANI）纖維，在纖維內和表面有CDP顆粒。a. SEM圖像顯示電紡纖維內的CDP粒徑范圍為190nm至1.2μm。b. 相同橫截面的能量色散X射線光譜圖，顯示紅色的銫（Cs）和藍綠色的碳（C）。比例尺為2μm。

圖3.旋轉電極和在碳紙上收集的樣品的照片。無針靜電紡絲可以大面積地產生均勻的薄膜。a.在50kV的電壓下，旋轉的不銹鋼電極表面出現多個泰勒錐（一些用紅色箭頭指向）。 b.磷酸二氫銫-聚乙烯吡咯烷酮-聚苯胺（CDP-PVP-PANI）復合材料，由透明溶液直接電紡到碳紙上。該膜僅需通過靜電紡絲的方式，進行10分鐘即可獲得。

圖4.納米顆粒修飾樣品的電化學性能。樣品材料是磷酸二氫銫（CDP）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-聚苯胺（PANI）復合材料，用于直徑（?）為2英寸的燃料電池。a.不同電流密度下的電池電壓。藍線代表具有納米顆粒修飾的納米纖維靜電紡絲樣品。黑線表示SAFCell公司的標準電極。可以看出，電紡樣品在每個電流密度下都具有更高的電池電壓。b.具有PVP-PANI的電紡CDP樣品的功率密度峰值與SAFCell公司的標準粉末燃料電池電極相比較。電紡燃料電池功率在運行的前60小時內不會降低。

參考文獻：

”Spontaneous formation of nanoparticles on electrospun nanofibres, (2018) 9:4740”

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07243-5

來源：高分子科學前沿