纳米纤维技术:现状和新兴发展

发布时间:2019-06-21

由于其独特的物理化学性质和特性,纳米纤维已经成为用于广泛研究和商业应用的令人兴奋的一维纳米材料。纳米纤维作为一类截面直径范围从几十到几百纳米的纳米材料,具有非常高的比表面积和表面积与体积的比值。他们能够形成高度多孔的网状物,孔隙之间具有明显的互连性,使其成为许多先进应用的有吸引力的选择。事实上,纳米纤维技术的重大影响可以从广泛的可用于纳米纤维合成的基础材料中得到。这些包括天然聚合物,合成聚合物,碳基材料,半导体材料,和复合材料。相应地,已经迅速报道了跨越几个重要领域的纳米纤维的新兴应用概念应用。本评论探讨了纳米纤维技术的现状和未来发展,重点是其合成和应用。首先,我们强调纳米纤维合成中使用的当前和新兴策略。我们简要介绍各种已建立的纳米纤维合成技术,特别是静电纺丝方法。然后,我们专注于新兴的纳米纤维合成策略,如溶液吹塑,离心喷射纺丝和电动水力直接写入。接下来,我们讨论纳米纤维技术在各个领域的新兴应用,特别是三个重要的能源发电和储存领域,水处理和环境治理,医疗保健和生物医学工程。尽管所有这些进步,纳米纤维技术迈向成熟还有待解决和克服的挑战。然而,我们设想,随着纳米纤维合成策略的发展和纳米纤维“杀手”应用的发展进一步发展,纳米纤维技术将成熟,超越现在的状态,实现商业化和应用。

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提供各种新兴的纳米纤维合成技术以及能量,水和环境以及医疗卫生三个主题的应用的广泛概述。我们首先介绍当前和新兴的纳米纤维制造技术。随后将讨论纳米纤维技术在包括能源生产和储存,水和环境处理以及医疗和生物医学工程等广泛领域的应用( 图1)。然后介绍我们对纳米纤维技术发展和应用面临的挑战的观点和展望,突出展示未来研究方向。我们在这里寻求解决的一个重要问题是,它具有的潜力,纳米纤维技术如何从制造和应用的当前状态转变为日常生活中的商业化和实施。1 )。然后介绍我们对纳米纤维技术发展和应用面临的挑战的观点和展望,突出展示未来研究方向。我们在这里寻求解决的一个重要问题是,它具有的潜力,纳米纤维技术如何从制造和应用的当前状态转变为日常生活中的商业化和实施。1 )。然后介绍我们对纳米纤维技术发展和应用面临的挑战的观点和展望,突出展示未来研究方向。我们在这里寻求解决的一个重要问题是,它具有的潜力,纳米纤维技术如何从制造和应用的当前状态转变为日常生活中的商业化和实施。

纳米纤维制造的现行策略

通常,静电纺纱装置由具有喷嘴的注射器,电场源,对电极或接地的靶和泵构成。静电纺丝方法是基于静电原理,其中高电场中的静电排斥力用于纳米纤维的合成。将电纺丝的溶液保持在注射器喷嘴中,并且在喷嘴和对电极之间产生大的电场。当解决方案被弹出时,喷嘴处的液滴由于喷嘴和接地靶之间的电位差而采用锥形变形。当带电射流向对电极加速时,溶液中的溶剂蒸发,导致在接地靶上形成固体连续纳米纤维。电纺丝纳米纤维的物理性质很大程度上取决于许多参数,如溶液性质(如电导率,粘弹性和表面张力),环境因素(如加工温度和湿度)以及技术变量(如尖端 - 电极距离,施加电位和流量)。事实上,已经使用静电纺丝成功地制备了广泛的纤维状纳米结构。例如,最近,

除了传统的静电纺丝技术之外,最近已经开发了这种方法的几种变型。这些包括多针,无针和共静电纺丝或同轴电纺丝。使用多针和无针静电纺丝技术来提高常规静电纺丝的生产率。另一方面,同轴静电纺丝被开发以合成具有附加功能和改进质量的核 - 壳和多层复合纳米纤维结构。在同轴静电纺丝中,两种不同的纳米纤维结构单元通过不同的同轴毛细通道供应,然后集成到核 - 壳复合纳米纤维中。事实上,同轴静电纺丝的出现大大促进了大量新型功能纳米材料的发展。例如,通过同轴电纺丝已经实现了两层核 - 壳聚合物纳米纤维的大量通量制备。已经通过同轴电纺丝合成了具有改善磁特性的Fe掺杂氧化物核 - 壳In 2 O 3 -α-Fe 2 O 3纳米纤维。

通过采用选择性组分去除的常规静电纺丝,可以使用相同的方法合成具有高比表面积的多孔纳米纤维。这通过纯介孔碳和介孔Nafion纳米纤维的合成来证明。使用Nafion-PAN的聚合物共混物的静电纺丝获得这些多孔纳米纤维,并且特别去除了共混物的一种组分。静电纺丝的另一个有趣的变化是基于溶胶 - 凝胶的静电纺丝方法。最近已经基于这种技术报道了几种新型的纳米纤维结构。例如, 通过静电纺丝和溶胶 - 凝胶化学的组合,已经实现了ZrC纳米纤维和多铁BiFeO 3和聚合物P(VDF-TrFE)复合纳米纤维的合成。

除了静电纺丝技术之外,纳米纤维目前通过溶液中的自组装合成。使用自组装技术,天然或合成纳米纤维的制备可以通过将各自的大分子自发组织成有序和稳定的纳米级超分子结构或图案来实现。

纳米纤维制造新策略

虽然大多数纳米纤维是使用静电纺丝制备的,但是这种技术存在诸如对专门设备,高电位和导电靶的要求的若干缺点。因此,近年来,出现了以更大规模和更高吞吐量方式生产纳米纤维的新策略的出现。

3.1。CO 2激光超音速绘图

在不存在化学溶剂的情况下,使用CO 2激光超音速拉伸技术来生产基于单一连续工艺的长纳米纤维。使用CO 2激光器,将直径在100和200μm之间的原始纤维熔化,然后通过超音速气流,以实现基于空气的力的纳米纤维的超音速拉伸。通常,该策略适用于广泛的热塑性聚合物,包括聚乳酸(PLLA),聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙醇酸(PGA)。此外,最近的一项研究表明,这是第一次,使用CO 2激光超音速绘图,在平衡熔点附近合成具有高熔点的尼龙-66纳米纤维。该研究表明,使用这种简单的技术,可以实现具有延伸链的聚合物纳米纤维的生产和改善的机械性能。

3.2。解决方案吹纺

已经开发了溶液吹丝技术,以克服传统静电纺丝技术所具有的各种限制,如纳米纤维的原位合成困难以及高电位和导电目标的要求[5]。仅需要一个简单的商用喷枪,浓缩聚合物溶液和压缩气体源,该技术可能潜在地用于纳米纤维毡和支架的原位沉积,用于非导电靶的适形覆盖以及许多组织工程和外科应用。这种合成方法的应用实例是仅使用喷漆刷和高压CO 2气体在任何基材上原位沉积保形PLGA纳米纤维垫或网孔(图2 a - c)[5]。在报告中,聚合物纳米纤维是由丙酮中的10%PLGA溶液合成的,两种不同的粘度对应于CO 2流下的低分子量和高分子量(图 2d和e)。所制备的纳米纤维的平均直径为470±260nm。由于将当前的静电纺丝方法转化为原位设置是具有挑战性的,

新能源发电和储存应用

锂离子电池(LiBs)作为最有希望的储能技术之一,已经在许多便携式和个人电子产品中得到应用。然而,锂离子电池的广泛应用,特别是在大型储能装置中的应用仍然受到各种因素的阻碍,如阳极和阴极材料的容量和效率有限,电极的低电化学性能以及它们的高材料成本。因此,对具有高能量密度和容量,长循环寿命,高电化学性能和低成本的新型电化学活性替代物的需求日益增加。已经研究了纳米纤维作为用于能量产生装置的潜在电极材料,例如电池和燃料电池,由于它们具有大的比表面积和高孔隙度,可用于储存电解质并支持快速和长期的电子/离子转运。在过去几年中,已经从广泛的材料合成了高度多孔的纳米纤维网络,以增强LiB的容量,电化学性能和循环性能。例如,合成了腔室限制的Si / C复合纳米纤维,用于提高LiBs的循环寿命和库仑效率[43],通过基于溶胶 - 凝胶的静电纺丝合成了复合Si / C / TiO 2纳米纤维作为LiBs阳极为提高LiB的比容量和循环寿命[10],

除LiB之外,纳米纤维形成均匀微孔分布的三维(3D)互联网络的能力也被用于锂硫(Li-S)电池应用。已经制备了柔性自立多孔碳纳米纤维 - 碳纳米管 - 硫复合材料(S @ PCNFs-CNT)作为Li-S电池的阴极材料,以改善电池的电化学性能[45]。在S @ PCNFS-CNT是基于电纺丝制备的(图5一个)。更清楚的是,通过静电纺丝制备初始PAN-CNT纤维,然后稳定在280℃,并在Ar气下在800℃碳化,得到CNF-CNT复合材料。随后用KOH生成待生成的复合材料以产生PCNF-CNT。最终,通过加热S和PCNF-CNT的混合物形成S @ PCNFs-CNT( 图 5b)。合成了不包含CNT(S @ PCNF)的复合结构进行比较。然后将所制备的复合材料作为柔性独立的Li-S电池阴极材料进行切割和测试(图 5c和d)。从两种复合材料(图5 e和f)可以看出,大形态学没有显着的变化。随后,检查了基于S @ PCNFs-CNT-和S @ PCNFs的电极的循环性能(图 5g)和速率能力(图 5h)。S @ PCNFs-CNT电极显示增强的循环和速率性能。事实上,与S @ PCNFs电极相比,它具有更高的可逆容量和速率能力。这表明柔性独立复合材料S @ PCNFs-CNT作为Li-S电池的阴极材料具有优异的电化学性能。有趣的是,除了电池之外,纳米纤维也被合成为微生物燃料电池的结构单元。这在最新研究中得到证实,其中制备了三维活化的氮掺杂碳纳米纤维网络作为阴极材料,用于增强燃料电池的电流密度和电子转移[7]。这表明柔性独立复合材料S @ PCNFs-CNT作为Li-S电池的阴极材料具有优异的电化学性能。有趣的是,除了电池之外,纳米纤维也被合成为微生物燃料电池的结构单元。这在最新研究中得到证实,其中制备了三维活化的氮掺杂碳纳米纤维网络作为阴极材料,用于增强燃料电池的电流密度和电子转移[7]。这表明柔性独立复合材料S @ PCNFs-CNT作为Li-S电池的阴极材料具有优异的电化学性能。有趣的是,除了电池之外,纳米纤维也被合成为微生物燃料电池的结构单元。这在最新研究中得到证实,其中制备了三维活化的氮掺杂碳纳米纤维网络作为阴极材料,用于增强燃料电池的电流密度和电子转移[7]。

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