新型催化剂载体材料的研发

• 碳复合纳米纤维：具有三维网状堆积结构的碳复合纳米纤维材料用作金属催化剂载体，在燃料电池技术中有着重要的应用价值。通过结合静电纺丝、表面修饰以及高温炭化技术，以聚合物纳米纤维、氧化石墨烯、碳纳米管和导电高分子为原料可制备出表面具有多尺度微结构的碳复合纳米纤维材料。利用石墨烯、碳纳米管和导电高分子基碳能有效增强碳材料的导电性以提高电子传递能力，改善碳纳米纤维表面微结构以提高负载催化剂的分散性、活性和稳定性，改善催化剂堆积结构以提高催化剂利用率。
  
  

  
• 氧化铝纤维：氧化铝（Al₂O₃）因具有熔点高、硬度高、耐腐蚀和绝热性好等优点而应用广泛。将 Al₂O₃纤维的尺寸进一步细化到纳米级，不仅可以带来强大的纳米效应（如大比表面积、小孔径、高孔隙率、良好的通道连通性），还可以制成特殊的形态和晶体结构，显著提高其在催化剂载体中的使用性能。静电纺丝法通过高压电场将不稳定的带电液滴分裂形成泰勒锥，同时利用高分子聚合物作为纺丝模板来制备成分可控制、结构可调整、功能可扩展的超细 Al₂O₃纤维，该方法被认为是可以高效大规模生产纤维的一种灵活和强大的方法。
   
• 高熵氧化物纳米纤维2：高熵氧化物 (HEOs) 具有组成多样、化学适应性强、光吸收能力可调、稳定性强等优点，具有广阔的应用前景。东华大学闫建华教授报道了采用溶胶 - 凝胶静电纺丝技术在低温 400℃下合成一系列多孔高熵氧化尖晶石 (HESO) 纳米纤维 (NFs) 的策略。合成的 (NiCuMnCoZnFe)₃O₄的 HESO NFs 表现出 66.48 m²/g 的高比表面积、多样的元素组成、双带隙、半金属性和丰富的缺陷，多种元素提供了多种协同催化位点，氧空位充当电子空穴分离的活性位点，而半金属性和双带隙结构提供了优异的光吸收能力，从而扩大了其在更广泛的光催化过程中的适用性。

制备工艺的改进与创新

• 多技术联用：将静电纺丝技术与其他技术相结合，如 3D 打印技术、微流控技术等，可以制造出具有更复杂结构和功能的催化剂载体。例如，与 3D 打印技术结合能够制造出具有复杂三维结构的静电纺丝产品，为构建定制化的组织工程支架等提供了可能；和微流控技术联用可实现对纤维内部结构和成分的更精确控制，如制备具有特殊功能梯度的纳米纤维。
• 无针头静电纺丝：传统静电纺丝法制备纤维存在产量和效率低的问题，无法实现规模化生产，为此研究者们开发了无针头静电纺丝方法。无针头静电纺丝通过改变静电纺丝过程中的供液方式，将纺丝液充满纺丝辊，在高压电场的作用下从纺丝棍中喷射出纤维，从而提高纤维的产量。目前，无针头静电纺丝已实现工业化应用，可以生产包括 Al₂O₃纤维在内的各种纤维材料，但由于无针头静电纺丝过程中的影响因素很多，开发出能够稳定生产不同需求的纤维的纺丝设备仍然存在很大的挑战，同时工业化的静电纺丝设备成本普遍较高。

在不同催化反应中的应用拓展

• 燃料电池：将静电纺丝制备的碳复合纳米纤维材料用作金属催化剂载体，可提高催化剂的活性和稳定性，从而提高燃料电池的性能。例如，通过静电纺丝和高温炭化法制备的自支撑炭纳米纤维膜，负载铂纳米粒子后，对甲醇的电催化氧化性能有显著提高。
• 光催化2：利用静电纺丝技术制备的高熵氧化物纳米纤维具有优异的光吸收能力和多种协同催化位点，可用于光催化 CO₂还原等反应。例如，(NiCuMnCoZnFe)₃O₄的 HESO NFs 在不使用光敏剂和牺牲剂的情况下，可以高效地将 CO₂转化为 CH₄和 CO，产率分别为 8.03 和 15.89 μmol g⁻¹ h⁻¹。
• 电解水2：通过静电纺丝 - 电沉积策略在镍碳纳米纤维（Ni-CNF）表面制备低含量的 Pt 锚定 Ni (OH)₂，可实现碱性尿素氧化反应（UOR）电催化，并提高其性能。优化后的 Pt-Ni (OH)₂@Ni-CNFs-2 催化剂在电流密度为 10 和 100 mA cm⁻² 时的 UOR 性能分别为 1.363 V 和 1.422 V，大大提高了 UOR 性能。以 Pt-Ni (OH)₂@Ni-CNFs-2 和 Pt@Ni-CNFs-2 催化剂分别作为阳极和阴极，构建的自制尿素辅助水分解装置，其电压为 1.40 V，电压为 10 mA cm⁻²，超过了许多报道的代表性尿素辅助水分解电解槽。