隨著工業和技術的迅猛發展，能源短缺和環境惡化已成為兩大棘手的全球性問題。多孔工程靜電紡絲納米纖維材料具有高度定制的孔隙陷阱、拓撲多孔通道和高表面積，引起了研究者的廣泛關注，成為環境和能源應用的熱點話題。然而，關于1D納米纖維、2D納米纖維膜和3D納米纖維氣凝膠的跨尺度成孔策略，特別是纖維內和纖維間孔隙的多尺度設計和結構工程的綜述文章未有報道。
鑒于此，東華大學丁彬教授和斯陽研究員發表綜述，系統地介紹了1D納米纖維、2D膜和3D氣凝膠中超微孔、中孔和大孔的設計、合成和多孔工程方面所取得的進展。此外，還重點研究了結構-性能的相關性。介紹了多孔納米纖維材料在環境和能源領域的多功能應用。最后，提出了靜電紡多孔納米纖維材料發展的挑戰、機遇和未來展望。相關研究成果以“Electrospun porous engineered nanofiber materials: A versatile medium for energy and environmental applications”為題目，發表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。
1、基于靜電紡絲的多孔納米纖維材料
自利用靜電紡絲技術成功制備納米纖維多孔材料以來，靜電紡多孔材料一直處于納米技術的前沿，其多孔結構的形成和優化一直是研究的重點，以滿足各種實際應用的諸多要求。值得注意的是，經過20多年的發展，研究者開發了許多策略來生成1D納米纖維內部的多孔結構，以及調節2D納米纖維膜和3D氣凝膠的纖維間多孔結構（圖1）。關鍵是在深入了解底層機理的基礎上，為特定應用場景設計和制造最佳孔隙結構。
圖1 近20年來，一維多孔納米纖維、二維多孔納米纖維膜和三維多孔納米纖維氣凝膠的合成進展。
2、靜電紡納米纖維、膜和氣凝膠的孔隙結構設計
纖維內孔隙結構：具有定制化和持久拓撲結構的纖維內孔隙，在各種能源和環境處理中具有重要的價值。與取向靜電紡納米纖維相比，多孔納米纖維通常表現出更強的活性和性能。因此，在單個靜電紡絲納米纖維中定制良好的多孔納米結構吸引了化學和材料界研究人員的強烈興趣。在特定應用中(如催化劑載體、藥物傳遞等)，含有介孔位點、通道的納米纖維具有2-50 nm的較大尺寸和相互連接的框架，通常表現出更高的負載能力、更強的活性位點可達性和更低的傳質阻力。大孔纖維材料通常在儲能、組織工程、電極等場景中具有一定的優勢。
圖2 靜電紡絲原理，納米纖維內部、纖維表面和纖維間隙的孔結構示意圖。
纖維外表面孔隙結構：表面有孔的靜電紡納米纖維的設計與制備根據不同的策略可分為兩種主要類型，包括靜電紡絲過程中的原位相分離和二級納米結構在單個納米纖維上生長后存在分層孔隙（2k-r）。在典型的紡絲過程中，通過調節相對環境濕度和溶劑組成來調節溶劑和水的蒸汽壓，從而決定納米纖維的孔隙是在內部還是在表面。
3、聚合物基多孔靜電紡絲納米纖維材料
聚合物具有成本低、柔性好、易加工等優點，是制備靜電紡多孔納米纖維材料的主要原料。到目前為止，研究者開發了多種不同的成孔策略，來調節聚合物靜電紡納米纖維材料的纖維內和纖維間的多孔結構。本節作者綜合介紹了多種成孔方法各有的優缺點。
圖3 利用非溶劑誘導相分離、蒸汽誘導相分離和后處理方法合成靜電紡多孔聚合物納米纖維材料。
4、碳基多孔靜電紡絲納米纖維材料
碳基多孔納米纖維材料具有極高的比表面積、分級多孔結構、缺陷位點豐富、高導電性、高強度、化學惰性和熱穩定性等優點，有望成為能源轉化和環境修復的先導平臺。靜電紡絲前驅體，然后固化和碳化是合成多孔碳納米纖維，及其具有定制形態和納米結構的簡便和直接方法。然而，與多孔聚合物納米纖維相比，多孔碳納米纖維的制備原理和過程要復雜得多。在本節中，作者回顧了在單個碳納米纖維內部生成孔隙，以及操縱2D和3D聚集體交織碳納米纖維之間的孔隙結構的系統和詳細方法。
圖4 1D多孔碳納米纖維內部孔結構、2D碳納米纖維膜和3D碳納米纖維氣凝膠纖維間孔結構的合成方法。
5、陶瓷基多孔靜電紡絲納米纖維材料
目前，陶瓷納米纖維材料的微觀、中觀、宏觀或分層多孔結構的設計和合成已成為研究熱點，這將提高其在儲能、光電器件、催化、生物醫學器件和超靈敏傳感等各種應用領域的獨特性能。在本節中，作者將陶瓷基多孔靜電紡納米纖維材料的制備方法總結為四個基本類別，包括(i)通過溶膠-凝膠相分離形成纖維內孔隙，(ii)后處理生成陶瓷納米纖維內部孔隙，(iii)裁剪2D膜的纖維間孔隙，以及(iv)操縱3D氣凝膠和海綿的纖維間孔隙結構。
圖5 1D多孔陶瓷納米纖維內部孔結構、2D陶瓷納米纖維膜和3D陶瓷納米纖維氣凝膠纖維間孔結構的合成方法。
6、靜電紡多孔納米纖維材料的能源與環境應用
在過去的幾十年里，靜電紡多孔納米纖維材料被賦予了“量身定制的智能功能”的特性，以實現各種環境和能源應用，包括氣體吸附和分離、有機溶劑納濾、能量存儲和轉換、電化學催化和水處理等。
圖6 靜電紡多孔納米纖維材料在氣體吸附、分離、儲存方面的應用。
圖7 靜電紡多孔納米纖維材料在電化學能量儲存與轉換方面的應用。
7、結論與展望
新型納米纖維多孔材料具有高度定制的多孔結構(尺寸、取向和表面化學)和框架魯棒性，是各種應用的關鍵新興平臺，特別是在能源和環境相關領域。盡管在用于環境和能源應用的靜電紡多孔納米纖維材料工程方面已經取得了重大進展，但未來仍有幾個挑戰需要解決:
1）從單個納米纖維的精確孔隙拓撲結構來看，需要更先進和創新的策略，以高度有序的方式構建可定制的納米孔。為了在靜電紡納米纖維內部構建有序的納米孔隙，應該發展分子工程來精確調節孔隙拓撲結構。
2）第二個挑戰是合成具有高機械強度的納米纖維多孔材料。受復合材料力學增強的啟發，在多孔纖維骨架中構建柔軟彈性的聚合物組分可有效提高納米纖維多孔材料的力學性能。
3）第三個挑戰是大規模生產1D、2D和3D靜電紡絲多孔納米纖維材料。對多通道噴絲器設計的深入研究和更多聚焦于納米纖維形成機制的理論研究，可能會在未來提高靜電紡多孔納米纖維的生產率。
4）最后，從基本機理的角度，系統闡明靜電紡多孔納米纖維材料的孔隙結構、表面環境和界面化學對其在能量和環境過程中的性能的影響。
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