由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和特性，納米纖維已經(jīng)成為用于廣泛研究和商業(yè)應(yīng)用的令人興奮的一維納米材料。納米纖維作為一類截面直徑范圍從幾十到幾百納米的納米材料，具有非常高的比表面積和表面積與體積的比值。他們能夠形成高度多孔的網(wǎng)狀物，孔隙之間具有明顯的互連性，使其成為許多先進(jìn)應(yīng)用的有吸引力的選擇。事實(shí)上，納米纖維技術(shù)的重大影響可以從廣泛的可用于納米纖維合成的基礎(chǔ)材料中得到。這些包括天然聚合物，合成聚合物，碳基材料，半導(dǎo)體材料，和復(fù)合材料。相應(yīng)地，已經(jīng)迅速報(bào)道了跨越幾個(gè)重要領(lǐng)域的納米纖維的新興應(yīng)用概念應(yīng)用。本評(píng)論探討了納米纖維技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展，重點(diǎn)是其合成和應(yīng)用。首先，我們強(qiáng)調(diào)納米纖維合成中使用的當(dāng)前和新興策略。我們簡(jiǎn)要介紹各種已建立的納米纖維合成技術(shù)，特別是靜電紡絲方法。然后，我們專注于新興的納米纖維合成策略，如溶液吹塑，離心噴射紡絲和電動(dòng)水力直接寫(xiě)入。接下來(lái)，我們討論納米纖維技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的新興應(yīng)用，特別是三個(gè)重要的能源發(fā)電和儲(chǔ)存領(lǐng)域，水處理和環(huán)境治理，醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)工程。盡管所有這些進(jìn)步，納米纖維技術(shù)邁向成熟還有待解決和克服的挑戰(zhàn)。然而，我們?cè)O(shè)想，隨著納米纖維合成策略的發(fā)展和納米纖維“殺手”應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)一步發(fā)展，納米纖維技術(shù)將成熟，超越現(xiàn)在的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和應(yīng)用。

提供各種新興的納米纖維合成技術(shù)以及能量，水和環(huán)境以及醫(yī)療衛(wèi)生三個(gè)主題的應(yīng)用的廣泛概述。我們首先介紹當(dāng)前和新興的納米纖維制造技術(shù)。隨后將討論納米纖維技術(shù)在包括能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存，水和環(huán)境處理以及醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)工程等廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用( 圖1)。然后介紹我們對(duì)納米纖維技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)的觀點(diǎn)和展望，突出展示未來(lái)研究方向。我們?cè)谶@里尋求解決的一個(gè)重要問(wèn)題是，它具有的潛力，納米纖維技術(shù)如何從制造和應(yīng)用的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｉ钪械纳虡I(yè)化和實(shí)施。1 )。然后介紹我們對(duì)納米纖維技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)的觀點(diǎn)和展望，突出展示未來(lái)研究方向。我們?cè)谶@里尋求解決的一個(gè)重要問(wèn)題是，它具有的潛力，納米纖維技術(shù)如何從制造和應(yīng)用的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｉ钪械纳虡I(yè)化和實(shí)施。1 )。然后介紹我們對(duì)納米纖維技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)的觀點(diǎn)和展望，突出展示未來(lái)研究方向。我們?cè)谶@里尋求解決的一個(gè)重要問(wèn)題是，它具有的潛力，納米纖維技術(shù)如何從制造和應(yīng)用的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｉ钪械纳虡I(yè)化和實(shí)施。

納米纖維制造的現(xiàn)行策略

通常，靜電紡紗裝置由具有噴嘴的注射器，電場(chǎng)源，對(duì)電極或接地的靶和泵構(gòu)成。靜電紡絲方法是基于靜電原理，其中高電場(chǎng)中的靜電排斥力用于納米纖維的合成。將電紡絲的溶液保持在注射器噴嘴中，并且在噴嘴和對(duì)電極之間產(chǎn)生大的電場(chǎng)。當(dāng)解決方案被彈出時(shí)，噴嘴處的液滴由于噴嘴和接地靶之間的電位差而采用錐形變形。當(dāng)帶電射流向?qū)﹄姌O加速時(shí)，溶液中的溶劑蒸發(fā)，導(dǎo)致在接地靶上形成固體連續(xù)納米纖維。電紡絲納米纖維的物理性質(zhì)很大程度上取決于許多參數(shù)，如溶液性質(zhì)(如電導(dǎo)率，粘彈性和表面張力)，環(huán)境因素(如加工溫度和濕度)以及技術(shù)變量(如尖端 - 電極距離，施加電位和流量)。事實(shí)上，已經(jīng)使用靜電紡絲成功地制備了廣泛的纖維狀納米結(jié)構(gòu)。例如，最近，

除了傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)之外，最近已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這種方法的幾種變型。這些包括多針，無(wú)針和共靜電紡絲或同軸電紡絲。使用多針和無(wú)針靜電紡絲技術(shù)來(lái)提高常規(guī)靜電紡絲的生產(chǎn)率。另一方面，同軸靜電紡絲被開(kāi)發(fā)以合成具有附加功能和改進(jìn)質(zhì)量的核 - 殼和多層復(fù)合納米纖維結(jié)構(gòu)。在同軸靜電紡絲中，兩種不同的納米纖維結(jié)構(gòu)單元通過(guò)不同的同軸毛細(xì)通道供應(yīng)，然后集成到核 - 殼復(fù)合納米纖維中。事實(shí)上，同軸靜電紡絲的出現(xiàn)大大促進(jìn)了大量新型功能納米材料的發(fā)展。例如，通過(guò)同軸電紡絲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩層核 - 殼聚合物納米纖維的大量通量制備。已經(jīng)通過(guò)同軸電紡絲合成了具有改善磁特性的Fe摻雜氧化物核 - 殼In 2 O 3 -α-Fe 2 O 3納米纖維。

通過(guò)采用選擇性組分去除的常規(guī)靜電紡絲，可以使用相同的方法合成具有高比表面積的多孔納米纖維。這通過(guò)純介孔碳和介孔Nafion納米纖維的合成來(lái)證明。使用Nafion-PAN的聚合物共混物的靜電紡絲獲得這些多孔納米纖維，并且特別去除了共混物的一種組分。靜電紡絲的另一個(gè)有趣的變化是基于溶膠 - 凝膠的靜電紡絲方法。最近已經(jīng)基于這種技術(shù)報(bào)道了幾種新型的納米纖維結(jié)構(gòu)。例如， 通過(guò)靜電紡絲和溶膠 - 凝膠化學(xué)的組合，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了ZrC納米纖維和多鐵BiFeO 3和聚合物P(VDF-TrFE)復(fù)合納米纖維的合成。

除了靜電紡絲技術(shù)之外，納米纖維目前通過(guò)溶液中的自組裝合成。使用自組裝技術(shù)，天然或合成納米纖維的制備可以通過(guò)將各自的大分子自發(fā)組織成有序和穩(wěn)定的納米級(jí)超分子結(jié)構(gòu)或圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

納米纖維制造新策略

雖然大多數(shù)納米纖維是使用靜電紡絲制備的，但是這種技術(shù)存在諸如對(duì)專門設(shè)備，高電位和導(dǎo)電靶的要求的若干缺點(diǎn)。因此，近年來(lái)，出現(xiàn)了以更大規(guī)模和更高吞吐量方式生產(chǎn)納米纖維的新策略的出現(xiàn)。

3.1。CO 2激光超音速繪圖

在不存在化學(xué)溶劑的情況下，使用CO 2激光超音速拉伸技術(shù)來(lái)生產(chǎn)基于單一連續(xù)工藝的長(zhǎng)納米纖維。使用CO 2激光器，將直徑在100和200μm之間的原始纖維熔化，然后通過(guò)超音速氣流，以實(shí)現(xiàn)基于空氣的力的納米纖維的超音速拉伸。通常，該策略適用于廣泛的熱塑性聚合物，包括聚乳酸(PLLA)，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙醇酸(PGA)。此外，最近的一項(xiàng)研究表明，這是第一次，使用CO 2激光超音速繪圖，在平衡熔點(diǎn)附近合成具有高熔點(diǎn)的尼龍-66納米纖維。該研究表明，使用這種簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)具有延伸鏈的聚合物納米纖維的生產(chǎn)和改善的機(jī)械性能。

3.2。解決方案吹紡

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了溶液吹絲技術(shù)，以克服傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)所具有的各種限制，如納米纖維的原位合成困難以及高電位和導(dǎo)電目標(biāo)的要求[5]。僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的商用噴槍，濃縮聚合物溶液和壓縮氣體源，該技術(shù)可能潛在地用于納米纖維氈和支架的原位沉積，用于非導(dǎo)電靶的適形覆蓋以及許多組織工程和外科應(yīng)用。這種合成方法的應(yīng)用實(shí)例是僅使用噴漆刷和高壓CO 2氣體在任何基材上原位沉積保形PLGA納米纖維墊或網(wǎng)孔(圖2 a - c)[5]。在報(bào)告中，聚合物納米纖維是由丙酮中的10%PLGA溶液合成的，兩種不同的粘度對(duì)應(yīng)于CO 2流下的低分子量和高分子量(圖 2d和e)。所制備的納米纖維的平均直徑為470±260nm。由于將當(dāng)前的靜電紡絲方法轉(zhuǎn)化為原位設(shè)置是具有挑戰(zhàn)性的，

新能源發(fā)電和儲(chǔ)存應(yīng)用

鋰離子電池(LiBs)作為最有希望的儲(chǔ)能技術(shù)之一，已經(jīng)在許多便攜式和個(gè)人電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用。然而，鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，特別是在大型儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用仍然受到各種因素的阻礙，如陽(yáng)極和陰極材料的容量和效率有限，電極的低電化學(xué)性能以及它們的高材料成本。因此，對(duì)具有高能量密度和容量，長(zhǎng)循環(huán)壽命，高電化學(xué)性能和低成本的新型電化學(xué)活性替代物的需求日益增加。已經(jīng)研究了納米纖維作為用于能量產(chǎn)生裝置的潛在電極材料，例如電池和燃料電池，由于它們具有大的比表面積和高孔隙度，可用于儲(chǔ)存電解質(zhì)并支持快速和長(zhǎng)期的電子/離子轉(zhuǎn)運(yùn)。在過(guò)去幾年中，已經(jīng)從廣泛的材料合成了高度多孔的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，以增強(qiáng)LiB的容量，電化學(xué)性能和循環(huán)性能。例如，合成了腔室限制的Si / C復(fù)合納米纖維，用于提高LiBs的循環(huán)壽命和庫(kù)侖效率[43]，通過(guò)基于溶膠 - 凝膠的靜電紡絲合成了復(fù)合Si / C / TiO 2納米纖維作為L(zhǎng)iBs陽(yáng)極為提高LiB的比容量和循環(huán)壽命[10]，

除LiB之外，納米纖維形成均勻微孔分布的三維(3D)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能力也被用于鋰硫(Li-S)電池應(yīng)用。已經(jīng)制備了柔性自立多孔碳納米纖維 - 碳納米管 - 硫復(fù)合材料(S @ PCNFs-CNT)作為L(zhǎng)i-S電池的陰極材料，以改善電池的電化學(xué)性能[45]。在S @ PCNFS-CNT是基于電紡絲制備的(圖5一個(gè))。更清楚的是，通過(guò)靜電紡絲制備初始PAN-CNT纖維，然后穩(wěn)定在280℃，并在Ar氣下在800℃碳化，得到CNF-CNT復(fù)合材料。隨后用KOH生成待生成的復(fù)合材料以產(chǎn)生PCNF-CNT。最終，通過(guò)加熱S和PCNF-CNT的混合物形成S @ PCNFs-CNT( 圖 5b)。合成了不包含CNT(S @ PCNF)的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。然后將所制備的復(fù)合材料作為柔性獨(dú)立的Li-S電池陰極材料進(jìn)行切割和測(cè)試(圖 5c和d)。從兩種復(fù)合材料(圖5 e和f)可以看出，大形態(tài)學(xué)沒(méi)有顯著的變化。隨后，檢查了基于S @ PCNFs-CNT-和S @ PCNFs的電極的循環(huán)性能(圖 5g)和速率能力(圖 5h)。S @ PCNFs-CNT電極顯示增強(qiáng)的循環(huán)和速率性能。事實(shí)上，與S @ PCNFs電極相比，它具有更高的可逆容量和速率能力。這表明柔性獨(dú)立復(fù)合材料S @ PCNFs-CNT作為L(zhǎng)i-S電池的陰極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。有趣的是，除了電池之外，納米纖維也被合成為微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)單元。這在最新研究中得到證實(shí)，其中制備了三維活化的氮摻雜碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為陰極材料，用于增強(qiáng)燃料電池的電流密度和電子轉(zhuǎn)移[7]。這表明柔性獨(dú)立復(fù)合材料S @ PCNFs-CNT作為L(zhǎng)i-S電池的陰極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。有趣的是，除了電池之外，納米纖維也被合成為微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)單元。這在最新研究中得到證實(shí)，其中制備了三維活化的氮摻雜碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為陰極材料，用于增強(qiáng)燃料電池的電流密度和電子轉(zhuǎn)移[7]。這表明柔性獨(dú)立復(fù)合材料S @ PCNFs-CNT作為L(zhǎng)i-S電池的陰極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。有趣的是，除了電池之外，納米纖維也被合成為微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)單元。這在最新研究中得到證實(shí)，其中制備了三維活化的氮摻雜碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為陰極材料，用于增強(qiáng)燃料電池的電流密度和電子轉(zhuǎn)移[7]。