碳納米纖維的案例
【杜巴在線專家講座】中國科大實現由木材制備超細碳納米纖維氣凝膠
碳納米纖維材料因具有高的比表面、優異的機械性能及高電導率等優異的物理性質而受到廣泛關注，在能源、催化、環境、聚合物等領域具有廣泛的應用前景。目前針對特定應用的功能化碳納米纖維材料的理性設計合成及性能優化，仍然是制約其實際應用的瓶頸。特別是，廉價、宏量、可持續制備碳納米纖維氣凝膠尚未實現。
近日，中國科學技術大學俞書宏研究團隊提出了一種催化熱解的方法來改變木質納米纖維素的熱解過程，首次以廉價的木材為原材料制備了高質量的超細碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發表在《德國應用化學》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。
基于木質納米纖維素制備超細碳納米纖維氣凝膠材料
纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來源、低成本以及對環境的友好，木質纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅物。但是，因為木質纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過程中劇烈收縮而無法保持纖維的形態，迄今為止尚沒有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過使用對甲苯磺酸催化木質納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過程和中間產物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產率的同時，還能夠保持很好的三維網狀結構。該催化熱解轉化方法可將廉價豐富的自然界中的前驅物材料轉化為高附加值的碳納米纖維材料，對于發展可再生材料的綠色化學合成具有指導意義。
由該方法制備的超細碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導率（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。
展開 《自然·通訊》嵌段共聚物制備的多孔碳纖維贗電容電極
大量的介孔為附載高質量的贗電容活性材料提供了豐富的活性表面；連續的碳骨架為電子提供了快速的傳導通道；相互連通的介孔有利于贗電容活性材料在碳纖維內部沉積并加速離子在孔內的傳導。
圖1. 負載MnO2的多孔碳纖維電極制備示意圖。（a）靜電紡絲和PAN-b-PMMA嵌段共聚物相分離、自組裝；（b）高溫碳化形成多孔碳纖維；（c）浸泡KMnO4水溶液在碳表面沉積MnO2。連續的碳纖維有利于快速電子傳導；相互連通的介孔保證暢通的離子傳輸。
作者們將所制得的多孔碳納米纖維置于高錳酸鉀溶液中浸泡，從而在纖維表面及內部沉積上二氧化錳（MnO2）納米片（圖2a）——一種高性能、低成本的贗電容活性材料。整個電極的活性物質（包括碳纖維和MnO2質量）高達7 mg/cm2, 具備商業應用潛力。氮氣物理吸附測試顯示沉積MnO2兩小時后，介孔尺寸從11.7納米減至9.3納米（圖2b），表明MnO2納米片在介孔內部沉積的厚度小于2納米。由于介孔暢通而未被MnO2阻塞，保證了整個電極較低的離子傳輸阻力（2 Ω s0.5），遠低于其他MnO2電極（圖2c）。得益于電極高載量和極低的電荷傳導阻力，MnO2納米片-多孔碳纖維電極的質量比電容和面積比電容均高于其他相近載量的MnO2贗電容電極（圖2d）。
圖2.（a）MnO2附著在多孔碳纖維上（PCF@MnO2）的掃描電鏡（SEM）圖片。左下方SEM圖片為介孔碳納米纖維橫截面形貌；（b）多孔碳纖維以及PCF@MnO2孔徑分布；（c）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極的離子傳遞阻力的比較；（d）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極電極載量、面積比電容和質量比電容的比較?？招暮蛯嵭臄祿c分別代表基于總電極質量和僅MnO2質量的比電容。
本工作展示了嵌段共聚物所制備的多孔碳纖維在贗電容電容器中的巨大潛力。
展開 新型碳納米管纖維：打造能為手機充電的智能衣服！
碳納米管將取代汽車和飛機中的銅線，減少重量并提升燃料效率。碳可用于過濾飲用水，并制成新型生物識別傳感器，告訴我們關于生命和身體的更多信息。
碳將取代滌綸和其他合成纖維。因為碳納米管是地球上發現的最黑的物體，能吸收99.9%的可見光，所以你也許會說碳是“新黑”（黑色在時尚圈是最經典的顏色，所以某一年流行什么色，這個顏色就是“新黑”。），也就是說，“碳”突然變得非常流行。
Schulz 表示：“過去，金屬是制造業的主要產品。但是，我認為碳將在許多應用中取代金屬?！彼脖硎荆骸拔磥韺⑹?em>碳的新時代，一場碳的革新?！?辛辛那提大學的研究人員通過“化學氣相淀積”工藝，在加熱的真空室中，從四分之一尺寸的硅晶圓上“生長”出納米管。
工程師們在紫色硅晶圓上生長碳納米管
（圖片來源：辛辛那提大學）
Haase 表示：“每個粒子都有一個成核點。通俗點說，我們稱之為種子。含碳氣體被引入到反應器中。當碳氣體與‘種子’發生反應時，它會分解并在表面重新形成。我們讓它生長到想要的尺寸?！?研究人員幾乎采用了任何含碳的物質，從乙醇到甲烷。Haase 表示：“我們記得有一個小組用女童軍餅干展示了他們的成果。只要它含碳，你就可以將它轉化為納米管。”
2007年，辛辛那提大學納米世界實驗室創造了世界記錄，他們生長出了可拉伸接近2厘米的碳納米管，是那時實驗室中創造出的最長的碳納米管陣列。如今，實驗室可以創造出的納米管要比它長許多倍。
辛辛那提大學的研究人員通過實驗室中的工業線軸拉出這種微小的纖維方格。突然，這種微型碳薄片變成了一種紡線，類似于蜘蛛的絲，可以被編進織物中。
碳納米管纖維變成高強度的導線。
（圖片來源：辛辛那提大學）
像蜘蛛絲一樣，這種碳納米管纖維可以經受得起拉伸。
展開 新興碳納米纖維氣凝膠：化學合成與生物合成
目前包括金屬氧化物、聚合物、碳化物以及金屬等都已經能夠用于制備氣凝膠材料，其中基于聚合物的碳氣凝膠尤為重要。碳氣凝膠能夠實現高反應表面積和通向這種表面傳輸路徑的理想組合，因而在非均相催化劑載體、吸附劑、絕緣材料以及電極材料等方面具有重要的應用前景。近年來，碳納米管和石墨烯的發現極大地促進了聚合物基碳氣凝膠的發展和應用。碳納米管和石墨烯氣凝膠都可以通過化學氣相沉積和分散體系凝膠化的方法來進行制備，但是前驅體昂貴以及合成需要涉及復雜設備限制了這些氣凝膠的實際應用。因此，開發更簡單和經濟的途徑（例如利用碳水化合物、纖維素以及蛋白質等可再生資源為原料）來制備納米碳氣凝膠成為必然的發展趨勢。
【成果簡介】
中國科學技術大學俞書宏教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發表了題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的綜述文章，集中闡述了新興碳納米纖維氣凝膠的化學合成與生物合成方法。首先展示了如何通過化學合成和生物合成的方法來制備碳納米纖維（CNF）氣凝膠，然后討論了兩種制備CNF氣凝膠方法的合成特點，集中在結構和功能的多樣性以及CNF氣凝膠的物理化學性質和潛在應用。此外，作者還展示了基于可再生前驅體的CNF氣凝膠與CNT和石墨烯氣凝膠相比在諸多應用中具有競爭優勢。
展開 
清華大學Nature子刊：拉伸強度高達80 GPa的超強碳納米管管束
【引言】
超強纖維在很多高端領域有廣泛的應用需求，如運動器材、防彈裝甲、飛機攔截索、航空航天等。而碳納米管（Carbon Nanotube, CNTs）是已知世界上最強的材料之一，其本征拉伸強度和楊氏模量分別高達100 GPa和1 TPa。盡管如此，卻遲遲無法實現美國航天局（NASA）在2005年發起的 “強力系繩挑戰”，該挑戰旨在尋找一種比強度高達7.5 GPa·cm3·g-1的繩索用于太空電梯。一般來說，常規碳納米管纖維中單根碳納米管長度僅有幾百微米，且含有大量結構缺陷和雜質，使得碳納米管纖維的拉伸強度只有0.5-8.8 GPa，遠低于單一碳納米管的拉伸強度，產生這種情況的主要原因是在這些纖維中較短的碳納米管由于范德華相互作用而發生相互交聯或重疊。由于超長碳納米管具有宏觀長度（從厘米到分米）、清潔表面、完美結構以及超平行排列等優點，使其在制備纖維方面具有巨大優勢。然而，由于制備超長碳納米管的產率極低，因此，目前還未報道過使用其來組裝纖維，所以，超長碳納米管纖維是否擁有與單一碳納米管同樣的強度還不得而知。由于超長碳納米管纖維可控制備以及納米級微力測量的困難，目前對于超長碳納米管纖維的結構與性能關系以及一些結構因素如組分、長度和排列方式等如何影響纖維整體性能等問題還缺乏深刻認知。因此，對上述問題展開研究對于制備具有優異力學性能的超長碳納米管基纖維具有重要意義。
【成果簡介】
近日，清華大學魏飛、張如范和李喜德教授（共同通訊作者）合作團隊制備出一種超長（厘米級）、無缺陷、拉伸強度高達80 GPa的超級碳納米管束。一般而言，碳納米管束的拉伸強度受Daniels效應控制，而該效應來源于纖維內部單一碳納米管初始應力的不均勻性。研究人員設計了一種“同步張弛”的策略，來消除這些初始應力的不均勻性。
展開 多孔碳納米管上完全覆蓋的皺折Ir納米片，用于長壽命可充電鋰—二氧化碳電池
【成果簡介】
近日，北京理工大學的陳人杰教授和北京大學的郭少軍教授（共同通訊作者）等報道了一種完全錨定在N摻雜碳納米纖維（Ir NSs-CNFs）表面上的起皺、超薄Ir納米片，作為改善鋰—二氧化碳電池性能的有效陰極。改善后的電池可以穩定地放電并充電至少400次循環，截止容量為1000 mAh g-1—500 mA g-1。同時，發現了目前最小電荷過電位現象，即陰極通過在100 mA g-1下顯示低于3.8 V的充電終止電壓來有效地降低電荷過電位。在放電過程中，對中間產物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以極大地穩定無定形顆粒中間體（可能是Li2C2O4）并延遲其進一步轉變為薄板狀Li2CO3；而在充電過程中，它可以使Li2CO3易于完全分解，大大提高鋰—二氧化碳電池的性能。研究成果以為“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO2 Batteries”題發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。
展開 北科大范麗珍: 超小磷鐵鈉礦NaFePO4納米粒子用作高性能鈉離子電池正極材料
圖5：以NaFePO4@C納米纖維正極材料與純碳納米纖維負極材料組裝的全電池性能測試
在1.0-4.0 V電壓窗口內，0.5 C倍率下的（a）充放電曲線和（b）循環性能（基于正極活性質量），插圖顯示了組裝的軟包全電池持續點亮10盞LED燈。
【小結】
該研究成果報道了一種將超小NaFePO4納米粒子（約1.6 nm）均勻嵌入多孔氮摻雜碳納米纖維的制備方法；揭示了超小納米尺寸效應以及高電位脫鈉過程能夠將通常認為是電化學非活性的磷鐵鈉礦相NaFePO4轉變為高活性的無定型相；顯著提升了NaFePO4儲鈉正極材料的可逆容量，倍率性能和循環穩定性。
展開 具有優異的親Na/Li特性的多級Co3O4納米纖維-碳片骨架用于高度穩定的堿金屬電池
【成果簡介】
近日，浙江大學陸盈盈教授團隊（通訊作者）報道了具有優異親Na/Li的多級Co3O4納米纖維-碳片（CS）骨架，作為堿金屬電極的穩定基體。采用商用導電碳布作為一級結構，采用簡單的水熱法制備垂直生長的二級Co3O4納米纖維，之后再將熔融堿金屬注入骨架中形成金屬/Co-CS復合負極。與傳統的銅網和鎳泡沫等3D金屬集流體相比，所制備的Li/Na-Co碳片復合負極具有四個主要優點：1）堿金屬與Co3O4反應的自由能變化ΔG為負，導致熔融堿金屬與Co3O4反應形成Li2O和Co，從而降低了基體的表面能。2）在劇烈反應之后，納米纖維仍然可以牢固地粘附到碳纖維基質上，為沉積Li提供物理限制，并與足夠的電解質/電極接觸，為Li/Li+或Na/Na+氧化還原反應的提供了充足的電荷轉移位點，從而引導均勻的成核。3）COMSOL模擬表明，這些垂直生長的納米纖維有效地分散了鋰離子流，從而降低了每根碳纖維上的局部電流密度，進一步抑制了金屬離子的不均勻沉積。4）分層3D結構可以限制體相金屬在循環中的體積變化，有利于形成穩定的SEI膜?；谏鲜鲂路f的設計和優點，Li/Co-CS對稱電池可以在20mA cm-2的超高電流密度下循環超過120圈。與LiFePO4正極配對時，Li/Co-CS電池在2C下200次循環后顯示出88.4%的容量保持率。使用NaClO4基電解質的Na/Co-CS對稱電池中也觀察到明顯的改善。相關成果以題為“Hierarchical Co3O4 Nanofiber–Carbon Sheet Skeleton with Superior Na/Li-Philic Property Enabling Highly Stable Alkali Metal Batteries”發表在Adv. Funct.
展開 東華大學俞建勇院士、覃小紅教授團隊在靜電紡納米纖維濕氣發電機領域取得新進展
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東華大學丁彬教授研究團隊在納米纖維油/水乳液分離材料研究方面取得新進展
高分子科技原創文章。
展開 青島科大《Adv Mater》：金屬鎂電池負極改性方面取得重要進展！
由SP2雜化碳組成的平面六元環碳載體（石墨烯模型）表現出憎鎂性，這不僅導致較高的成核勢壘，也是造成不均勻的鎂沉積主要因素之一。在碳基載體上引入含氮、氧等雜原子的缺陷位點可大大提高其對Mg原子的親和力，從而大大降低了其電沉積形核和生長能壘，此外，豐富的親鎂中心可以引導均勻的電沉積形核和生長過程，因此電極呈現出較低的沉積/溶解過電勢。
3）幾何限域效應：
在典型的異相形核過程中，平面電沉積載體對晶核的促進作用取決于載體與鎂晶胚之間的潤濕角θ；而對于非平面電沉積載體，它們的幾何形狀也影響金屬鎂沉積的優先形核位點，由異相形核臨界形核功計算公式
可以看出，形狀因子f(θ)確定了臨界形核功的大小，及形核勢壘的大小。由于金屬在凹面襯底上形核時所需要的臨界晶核體積要小于在平面襯底和凸面襯底上的臨界晶核體積，因此構建凹面襯底可以促進金屬的電沉積形核過程，可以大大降低金屬形核的過電勢。
綜合以上考慮，本工作設計并構建了具有垂直排列結構特點的氮/氧共摻雜碳納米纖維陣列一體化電極。通過第一性原理計算表明，該電極中豐富的氮/氧摻雜碳缺陷為金屬鎂的形核提供了豐富的位點，有利于金屬鎂晶核的均勻分布；均勻排列的較短納米陣列結構能夠起到勻化電極表面電流密度的作用，而且垂直排列的納米陣列結構組成了大量具有“凹表面”特點的微通道，這些“凹表面”微通道可以通過幾何限域效應促進金屬鎂的優先形核。因此，所制備的垂直排列結構特點的氮/氧共摻雜碳納米纖維陣列一體化電極表現出一種獨特且高度可逆的“填坑式”沉積特點，該電極即使在較高電流密度下也表現出較低的成核過電勢和高度可逆的Mg沉積/溶解循環性能。
展開 
基于碳納米管和石墨烯的柔性超級電容器設計
具有三維結構的陣列也可以根據需求擠壓或者紡織形成導電性良好的碳納米管薄膜或碳納米管纖維，進一步增加其應用范圍。
圖2. 碳納米管陣列材料及其電容性能測試
其他結構的碳納米管柔性超級電容器
除了薄膜和陣列結構以外，包括碳納米管網絡，三維碳納米管海綿，碳納米管紗等一系列不同結構都被合成并應用于柔性超級電容器中，由于這些結構兼具高導電性和大比表面積，通常作為基底來負載其他活性材料。
【基于石墨烯材料的柔性超級電容器】
石墨烯具有優異的電學、力學和熱學性能，然而石墨烯片層之間的堆疊和團聚嚴重影響了石墨烯的性能，限制了其在柔性超級電容器方面的應用。合成不同形貌和結構的石墨烯是制備柔性石墨烯電極材料的關鍵。
基于石墨烯纖維的柔性超級電容器
石墨烯纖維可以通過水熱，濕紡，自組裝等方法合成。由于其良好的力學性質和導電性，石墨烯纖維可以紡入其他編織物，在可穿戴織物方面具有很大的應用潛力。
圖3. 紡入織物的石墨烯纖維超級電容器
基于石墨烯薄膜的柔性超級電容器
石墨烯薄膜可以通過真空抽濾、滴涂、層層自組裝等方法合成。雖然石墨烯薄膜具有高導電性和良好的柔韌性，但石墨烯片層間的團聚不僅降低了其表面積，還影響了電解質離子的傳輸，所以石墨烯薄膜在應用中通常會加入間隔材料例如碳黑、碳納米管、表面活性劑等。間隔材料的加入往往能大幅度提高材料的電容性能。
圖4. 加入間隔材料的石墨烯薄膜
基于三維石墨烯框架結構的柔性超級電容器
一維石墨烯纖維和二維石墨烯薄膜都展現出了優秀的電化學性能。但是，在維持結構穩定性和容量穩定性的基礎上提高活性物質負載量仍是一個挑戰。三維石墨烯框架結構擁有較好的導電性和潤濕性。同時，也具有更高的活性物質負載量，有利于提高柔性電容器的能量密度。
展開 ELG碳纖維為賽艇提供再生碳纖維
ELG 碳纖維（英國Coseley）與英國帆船隊INEOS Team UK合作，確保將可持續材料和實踐納入2021年美洲杯建設計劃。具體而言，ELG的再生碳纖維材料將用于生產將在2021年在奧克蘭帆船賽的AC75船型。
ELG自2018年以來一直是英國INEOS團隊的材料供應商，據報道，該公司已為British Challengers處理了1,000公斤碳纖維制造廢料和最終使用部件。
鳳凰改性環氧樹脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48360.html
從ELG在西米德蘭茲郡的專業工廠，INEOS Team UK的回收纖維被轉化為碾磨和切碎的產品，以制造熱固性和熱塑性化合物和非織造墊。據ELG稱，其回收的非織造材料已被用于生產兩個支架，用于在運輸過程中支撐AC75，以及船體和甲板模具。
據報道，ELG的技術人員對INEOS Team UK的原料進行了一系列纖維特性分析。每批加工的材料也經過分類，以支持回收纖維最終產品的可追溯性和一致性。據說所有這些過程都符合BS EN ISO 9001：2015和EN 9100：2016質量標準。
兩個組織都表示，他們認為這種伙伴關系是解決全球碳消費問題和提高人們對海洋產業內實現閉環回收迫切需要的認識。
“碳纖維產品的再利用是一個真正的游戲改變者，”英國INEOS團隊的海軍建筑師Alan Boot說。“我們正在將垃圾從垃圾填埋場轉移出去，并盡可能地循環我們的生產工藝。ELG的產品無縫地融入我們的制造工藝中，展示了這些材料在各種商業市場中的成功。在船舶生產方面，這是一個非常激動人心的時刻，并有望引領其他制造商效仿。”
“ELG的再生碳纖維產品有助于支持精英運動可持續發展，這是我們非常自豪的事情，”ELG碳纖維公司董事總經理弗雷澤巴恩斯說。
展開 不只有石墨烯碳納米管 梳理新型碳納米材料及其輔助機理研究方法
富勒烯（Fullerene）、 碳納米管（CNT，Carbon Nanotube）、石墨烯（Graphene）都是近年來的熱門碳納米材料，目前共有5位科學家在這個領域贏得了諾貝爾獎。為什么碳納米材料廣泛的受到追捧呢？舉例來說，加入碳纖維的鋼材制成的自行車，重量僅僅是普通自行車的幾分之一，因為碳原子質量非常小，同時碳原子之間，或者碳原子和其他原子之間形成的化學鍵，又非常強韌。所以混合了碳納米的材料，通常都會兼具較好的力學性質與較輕的整體重量。
第一性原理廣泛應于在物理、化學以及材料科學中。材料設計，材料預測，解釋實驗等都離不開第一性原理計算，因為第一性原理從薛定諤方程開始， 只需要極少的參數，便可以非常準確的計算出材料的大部分材料性能；進一步結合絕熱假設，也可以用來模擬分子動力學。在碳納米材料的相關領域，第一性原理計算更是得到廣泛應用，因為碳原子的電子關聯非常弱，第一原理計算往往能夠做出非常準確的預測。
本文將會介紹一些新型的碳納米材料，它們在碳原子的結合方式和排列方式上和大家熟知的富勒烯， 碳納米管以及石墨烯略有不同。而這些細微的差異反映到最終的材料屬性上卻可以有很大的不同。碳原子排列的一個小差異，可以轉化成材料性質的大不同，這也是碳納米材料吸引著很多材料科學家、物理學家和化學家的地方。
一、雜化與維度
碳原子形成碳納米材料有兩種主要的雜化方式：sp2或者sp3。在sp2雜化模式下，每個碳原子會形成三個平面內均勻分布成120度角的三個分子軌道，以及一個平面外的p軌道，通稱為pz軌道；最典型的的碳納米材料便是著名的石墨烯。
展開 國內外碳纖維企業碳纖維性能指標大全
碳纖維性能指標包括拉伸強度、拉伸模量、彈性形變、密度、細絲直徑等，那么，全球都有哪些碳纖維公司公布了其產品的性能指標了？下面小編為你一一梳理。
國外碳纖維企業
東麗（Toray）
2017年11月，碳纖維行業巨頭Toray推出了新版本的碳纖維性能指標，與舊版本相比去除了T700G這一款產品。
Toray碳纖維性能指標
數據來源：Toray官網
不僅如此，Toray亦給出了其產品的包裝參數及包裝基準。
Toray碳纖維包裝參數
數據來源：Toray官網
帝人東邦（TEIJIN）
日本帝人東邦的性能指標根據碳纖維產品的模量來分類，分為標準模量、中模量及高模量三大類。
TEIJIN碳纖維性能指標
數據來源：TEIJIN官網
三菱化學（Mitsubishi Chemical）
與Toray及TEIJIN不同的是，三菱化學給出了碳纖維細絲的直徑值。
三菱化學碳纖維性能指標
數據來源：三菱官網
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