一、研究背景

能源危机和环境问题是人类面临的最严重和最重要的全球性问题。随着工业化、城市化和现代农业的快速发展，生产过程中的废弃物和中间产物对生态系统造成的破坏统称为环境污染。随着环境污染的日益严重，人类生产的新产品不断伴随着新的污染物的产生，这些污染物已经远远超过了环境的自洁能力。其中，水和大气污染是两大系统环境中最为突出的问题。由于水是人类生活和发展的基本要素之一，是一种有限的、容易被污染的资源，水污染和淡水供应减少正成为全球的关键问题。同样，空气质量对人类生存环境的影响也尤为重要。大气污染主要包括空气中细小颗粒物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等对环境有影响的污染物所造成的污染。随着空气污染的日益严重，世界卫生组织指出，由空气污染引起的疾病数量每年都在不断增加。因此，对大气环境进行准确的实时测量和有效治理迫在眉睫。

通过静电纺丝设备制造的聚合物基器件自问世以来已经发展成为一套复杂的技术。先进的静电纺丝技术因其在能源和环境方面的潜在应用而受到广泛关注。许多柔性和可穿戴电子设备已被用于检测健康相关信号，如压力/应变传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、集成传感平台等。

其中，压电传感系统可以检测人体运动和微小振动，同时通过压电能量转换收集和储存能量。在环境检测和治理方面，各种实时检测传感装置和污染物降解吸收材料相继被开发出来。

近年来，聚合物基静电纺丝纳米材料在能源收集和环境净化等领域得到了迅速发展。到目前为止，已经制备出了纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带等一系列具有不同结构和功能的高分子纳米材料，并报道了它们在能源和环境危机相关领域的潜在应用，包括气体检测、湿度检测、污染物检测、空气净化、水净化以及其他相关研究。制备纳米材料的方法有很多，其中静电纺丝技术是一种很有前途的方法。静电纺丝作为一种方便、快速、环保的制备方法，在人体运动监测与能量采集、环境监测、污染净化等领域的新材料设计与制造中有着广泛的应用。该方法制备的纤维具有高比表面积、低比重、高孔隙率以及可设计的纳米结构和表面形貌等明显的优点，是一种高度商业化的制备方法。通过调整静电纺丝工艺参数和修改收集装置，可以得到各种合成聚合物、复合材料、陶瓷材料以及微米至纳米级的各种聚合物基功能材料。随着能源短缺和环境修复需求的日益增长，有必要对该方法在环境领域的应用现状和不足进行统计和总结，为未来的发展方向提供启发和指导。因此，本文综述了不同结构设计和制备参数对电纺聚合物纳米纤维性能的影响及其在能源和环境方面的应用的最新研究进展。

二、摘要

电纺纳米纤维具有可设计的纳米结构和简单廉价的制备工艺，在能量收集、可穿戴运动健康检测、环境污染物检测、污染物过滤降解等领域有着重要的应用。近年来，利用该方法制备了一系列聚合物基纤维材料，并对材料结构和性能因素进行了详细的研究和讨论。综述了静电纺丝的制备参数、环境因素、与其他方法的结合以及表面改性对复合纳米纤维性能的影响。同时，比较了不同收集装置和静电纺丝制备参数对材料性能的影响。随后总结了材料结构设计及其在可穿戴设备供电、能量采集、环境污染物传感、空气质量检测、空气污染颗粒过滤、环境污染物降解等方面的具体应用。我们旨在回顾静电纺丝应用的最新进展，以激发新的能源收集、检测和污染物处理设备，实现聚合物纤维在能源和环境领域的商业化推广。最后，总结了电纺高分子纤维在环境问题检测与处理中存在的一些问题，并提出了一些建议和新思路。

三、结论

结合近年来的研究成果，论述了静电纺丝技术的主要突破及其在能源和环境检测与治理中的重要意义。比较了各种合成和制备工艺，总结和讨论了不同装置和静电纺丝条件对功能材料性能的影响。综述了当前先进的装配技术及其在不同子领域的功能应用。它们在制备高稳定和超灵敏的能量和环境响应方面具有重要的影响。此外，制备参数、环境因素、其他方法的结合以及静电纺丝的表面改性等因素的作用显著提高了复合纳米纤维的性能。因此，电纺纳米纤维在环境传感、环境污染物质量、空气污染微粒过滤等方面具有广阔的应用前景。综述了电纺聚合物纳米纤维在人体运动监测和能量收集、环境监测和污染净化等方面的应用。

与传统的压电材料相比，混合压电材料不仅可以产生能量，还可以收集能量并用于实时监测，从而实现对环境中能量的有效利用和节约。由此类材料组装而成的柔性可穿戴设备可以同时从各种来源获取能量，感知周围环境的各种波动，并传输无线数据，实现便携、多用途和可持续应用。

在环境传感领域，与水热法和模板法等其他方法相比，静电纺丝由于其制备方法更加灵活，可以实现各种特殊的纳米结构设计，如本文总结的多孔、空心、陷阱、表面纳米花修饰结构。这些不同的结构可以增加比表面积，增强电导率，促进电荷转移，在复杂环境中实现更准确、更快速的检测。此外，由于静电纺丝技术的制备过程廉价且易于操作，该方法有望实现大规模生产和商业化，成为未来极具实际应用前景的技术手段。

在环境污染净化方面，本文主要综述了静电纺丝在空气过滤和水净化领域的应用，包括结构设计、材料组装、净化原理及其对环境的影响。复合纳米纤维在环境污染过滤中的应用还需要进一步的探讨和研究，包括结构改进、力学性能设计、效率和稳定性提高等。综上所述，多孔材料是一种理想的污染过滤结构设计，但多孔结构也会降低纤维的力学性能。如何平衡两者的关系值得进一步研究？对于光催化材料，其催化机理和动态反应过程尚不清楚，需要更多的实验研究来进一步有针对性地提高光催化材料的污染物分解效率和循环稳定性。随着静电纺丝和复合高分子材料研究的不断深入，相信在不久的将来，这种方法可以用于解决各种环境问题，实现环境和能源问题的治理。

图1.用于制备不同结构压电纳米纤维的静电纺丝收集装置示意图。(a)制备P （VDF-TrFE）纳米纤维的经典静电纺丝装置。(b)压电纳米织物几何排列共聚物纱线的制作工艺示意图。(c)同轴静电纺丝技术制备芯鞘结构(d)共轭电纺纱制备装置示意图。(e)湿纺丝法制备压电纳米纤维传感垫示意图。

图2.压电式压力传感器的不同装配方法示意图。(a)典型的压电压力传感器的组装结构示意图和实际照片。(b)不同传感器层组合的压力传感器结构示意图及其应用于皮肤表面的光学和红外图像(c)结合静电纺丝(i)、直写（ii）、真空镀（iii）和ANF-PENG （iv）的三维结构，组装具有三维结构的超薄压电纳米发电机(d)使用mxene涂层织物和沉积在ag涂层导电织物上的PBU纤维构建的自供电摩擦纳米发电机的示意图，以及该装置的物理图像。