江南大学刘天西教授主要从事高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、新能源材料与器件等研究工作，提出同质及异质杂化等新方法成功解决了纳米颗粒在聚合物基体中的团聚问题，获得了一系列新型高性能及多功能高分子纳米复合材料。

 

本文梳理了刘天西教授在静电纺丝领域的研究进展，供大家交流学习。

 

J. Colloid Interface Sci. ：用于高效氧还原的钯纳米催化剂的晶格应变和电子密度调制

 

通过使用静电纺丝和溶剂热技术，将 Pd 纳米颗粒固定在纳米管状 SnO2 载体的内外壁上，轻松合成了分层 Pd/SnO2 混合催化剂。由于 SnO2 载体和赋予的金属-载体相互作用，Pd/SnO2 催化剂中的 Pd 纳米粒子的拉伸应变和富电子特性都得到了验证。相比之下，Pd/C 催化剂中的 Pd 纳米颗粒没有发现这样的特征。因此，Pd/SnO2 混合催化剂的质量活性是 Pd/C 催化剂的 2.5 倍，并且与 Pd/C催化剂 （18%）相比，50 小时内的电流衰减降低了 4%，从而大大提高了耐久性。

 

Guojie Chao, et al., Lattice-strain and electron-density modulation of palladium nanocatalysts for highly efficient oxygen reduction, 2021, J. Colloid Interface Sci. , DOI: 10.1016/j.jcis.2021.05.177

 

Sci. China Mater. ：超疏水聚偏氟乙烯/聚酰亚胺纳米纤维复合气凝胶用于极端湿热环境下的隔热

 

刘天西教授课题组发展了一种具有良好力学性能、超疏水、隔热的纳米纤维气凝胶，即通过静电纺丝和冷冻干燥技术制备了聚偏氟乙烯/聚酰亚胺（PVDF/PI）纳米纤维复合气凝胶。所得的PVDF/PI纳米纤维复合气凝胶显示出高孔隙率（98.6％）、低密度（22.0 mg cm−3）、良好的机械稳定性和高隔热性（室温下热导率为31.0 mW m−1 K−1，300°C下为58.2 mW m−1K−1）。同时该气凝胶展示出优异的超疏水特性，水接触角为152°。即使在100％湿度（80°C）下，PVDF/PI纳米纤维复合气凝胶仍显示出较低的热导率，仅为48.6 mW m−1k−1，其性能优于大多数商业绝热材料。

 

Fan Yang, et al., Superhydrophobic polyvinylidene fluoride/polyimide nanofiber composite aerogels for thermal insulation under extremely humid and hot environment, Sci. China Mater., 2020, DOI: 10.1007/s40843-020-1518-4

 

J. Power Sources :亲锂Co、N共掺杂多孔碳纳米纤维实现无枝晶复合锂金属负极

 

Co/N 共掺杂是通过在碳纳米纤维 (CNF) 上热解自组装 Co/Zn 金属有机骨架 (MOF) 纳米片来实现的。同时引入的 Co 和 N 缺陷之间的协同效应不仅提高了吡啶和吡咯 N 的 Li 亲和力，而且还将石墨 N 转变为亲锂，为 Li 的均匀电镀提供了关键作用。同时，Zn升华形成的多孔结构为Li电镀/剥离引起的内应力提供了足够的缓冲空间。因此，PCNF-Co/N@Li 负极可提供超过 1400 小时的长寿命和低电压滞后。当与 LiFePO4 正极配对时，全电池表现出良好的循环稳定性和倍率能力。

 

Chengcheng Zhao, et al., A dendrite-free composite Li metal anode enabled by lithiophilic Co, N codoped porous carbon nanofibers, J. Power Sources, 2020, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.229188

 

Electrochim. Acta：原位还原合成MoP@氮掺杂碳纳米纤维，用作锂/钠离子电池负极材料

 

研究者展示了一种MoP@氮掺杂碳纳米纤维（MoP@NCNFs）的高性能负极材料，该负极材料是通过静电纺丝法和原位碳热自还原方法制备的。结晶良好的MoP纳米颗粒均匀地分布在交织的纳米纤维中，为快速电荷/离子传输提供了导电网络，并为体积膨胀提供了足够的缓冲空间。得益于独特的结构，800℃下合成的MoP@NCNFs在100 mA g-1下循环200次后，其可逆容量为840 mAh g-1。在2 A g-1下，可实现长达1300个循环，其电池容量为377 mAh g-1，库伦效率为99％。

 

Cuimei Fu, et al., In-situ reducing synthesis of MoP@nitrogen-doped carbon nanofibers as an anode material for lithium/sodium-ion batteries, Electrochim. Acta, 2020, DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136921

 

Carbon：具有高锂离子扩散系数的Fe掺杂LiMnPO4@C纳米纤维

 

报告了一系列纤维状 LiFexMn1-xPO4@carbon (LFxM1-xP@C, x ¼ 0, 0.25, 0.5, 0.75,1) 复合材料的合理设计和制造，通过一种简便且通用的静电纺丝策略。进一步证明了 DLi 和 Fe 掺杂量之间的关系。当 x = 0.5 时，可实现在长期循环时具有高可逆容量和倍率性能。在 0.2 C 下循环 500 次后达到 150 mAh g-1 的放电容量，容量保持率为 119%。在 5 C 的高倍率下，即使超过 2000 次循环，CE 99% 仍可提供 102 mAh g1 的比容量，使其成为有前途的 LIB 正极材料。

 

HaoYang, et al., Fe-doped LiMnPO4@C nanofibers with high Li-ion diffusion coefficient, carbon, 2020, DOI: 10.1016/j.carbon.2019.11.067

 

Nat. Commun.：冷冻聚合策略构筑耐复杂形变导电聚合物复合水凝胶

 

刘天西教授团队提出了冷冻聚合新策略实现了苯胺单体在冷冻条件下的原位聚合反应，一步实现了聚乙烯醇蜂窝状凝胶网络和聚苯胺三维凝胶网络的纳米复合和高效界面作用，获得了高强高韧的聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶材料。该聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶经过多次300%拉伸应变、60%压缩应变和全弯曲过程，均可轻易回复至初始形状，同时具有高强度和耐复杂形变能力。

 

 

Mingkai Liu, et al., Conductive carbon nanofiber interpenetrated graphene architecture for ultra-stable sodium ion battery, Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-11925-z

 

Adv. Funct. Mater. ：静电纺丝构建高兼容性硫化聚丙烯腈电极

 

刘天西教授、王丽娜副教授等人以含有PAN和CNTs的N、N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为原料，采用静电纺丝技术与热处理相结合的方法，制备了柔性自支撑SPAN/CNT纳米纤维膜，并将其作为锂硫电池的正极材料。交织在一起的网络被热解成SPAN/CNT纳米纤维不仅能加速电荷转移，而且能提供快速的离子传输通道。放电过程中生成的硫化锂纳米薄片的活化作用决定了其充放电容量和倍率性能。电流密度为800 mA g -1时，经过1000个循环后，比容量为1180mA h g−1，容量衰减较少，具有良好的实际应用前景。

 

Xiaofei Wang, et al., Sulfurized Polyacrylonitrile Cathodes with High Compatibility in Both Ether and Carbonate Electrolytes for Ultrastable Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Funct. Mater. , 2019, DOI: 10.1002/adfm.201902929

 

J. Mater. Chem. A：在静电纺丝(碳)纳米纤维中将固体Co氧化为空心Co3O4以提高锂的储存性能

 

刘天西教授课题组通过电纺以及空气中热处理将在电纺(碳)纳米纤维中的固体Co纳米颗粒氧化成空心Co3O4纳米颗粒，从而构建了高性能电纺电极材料。其中，醋酸钴(Ⅱ)(Co(Ac)2)、双氰胺(DCD，C2H4N4)、聚丙烯腈（PAN）分别作为Co源、添加剂和碳源，溶解在N，N-二甲基甲酰胺中(DMF)用作电纺丝前体溶液。作者通过调节氧化温度/氧化时间，构建出具有可控纤维中空Co3O4纳米颗粒的碳含量。该纤维产品在用作LIBs负极材料时，由于其独特的中空纳米结构、碳杂化和新型的纳米级-纳米纤维组装，表现出较高的比容量和优异的循环稳定性。

Jinkai Wang, et al., Oxidizing solid Co into hollow Co3O4 within electrospun (carbon) nanofibers towards enhanced lithium storage performance, J. Mater. Chem. A, 2019,  DOI: 10.1039/c9ta00045c 

 

作者简介：

 

刘天西，教授，博士生导师。江南大学“至善特聘教授”、英国皇家化学会会士（FRSC，2021）、国家杰出青年基金获得者（2011）、上海市领军人才（2017）、上海市优秀学术带头人（2017）、上海市曙光学者（2009）、教育部新世纪优秀人才（2004）、上海市青年科技启明星（2004）及其跟踪计划（2009）获得者。

 

主要从事高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、新能源材料与器件等研究工作，提出同质及异质杂化等新方法成功解决了纳米颗粒在聚合物基体中的团聚问题，获得了一系列新型高性能及多功能高分子纳米复合材料。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等学术期刊发表SCI论文360余篇，被他人引用18000余次，H指数=74。

 

2016、2017、2018连续三年入选英国皇家化学会（RSC）材料科学“Top 1% 高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料科学）；2019年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学）；2020年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（化学工程与技术）；获授权发明专利30余项；出版中、英文专著各一部；先后承担十余项省部级以上科研项目。目前担任Composites Communications（Elsevier）、Advanced Fiber Materials（Springer Nature）、Functional Composite Materials（Springer Nature）副主编；中国复合材料学会纳米复合材料分会主任委员、导热复合材料专业委员会副主任委员、超细纤维复合材料分会副主任委员。