【综述】基于纳米纤维素的电催化与储能材料研究进展

文章来源：北科新材浏览次数：4682时间：2021-03-11 QQ学术交流群：1092348845

近年来，碳材料因具有循环稳定性好、工艺相对简单和成本低廉等优点，在电化学催化和储能领域逐渐受到人们的关注；具有绿色可持续的生物质碳材料及其衍生物逐渐成为电催化和储能研究领域的热点。利用纳米纤维素设计开发新型、结构优化的电催化剂和电极材料具有很高的研究前景和商业价值，既符合当前可持续发展的理念，又能推动纳米纤维素的高值化利用。本文主要从以下三个方面进行综述：（1）纳米纤维素的制备；（2）纳米纤维素在电催化与储能领域的研究现状；（3）纳米纤维素在电催化与储能领域应用的展望。
1 纳米纤维素的制备
根据形态尺寸及制备方法的不同，一般将纳米纤维素分为以下3种（图1）：（1）纤维素纳米纤丝（CNF），直径为5~50 nm，长度为几微米。（2）纤维素纳米晶体（CNC），直径一般为3~55 nm，长度为200~500 nm。（3）细菌纤维素（BC），直径一般在70~140 nm，长度超过2 μm。

图1 纳米纤维素制备示意图
2 纳米纤维素在电催化材料领域的研究进展
燃料电池和金属空气电池受限于电极氧还原反应（ORR）的不利因素，导致此类电池的性能受到了一定的限制。纳米纤维素因其独特的结构、高比表面积、可化学改性的优势，可以与电活性材料结合，从而制备新型碳复合材料，用于ORR电催化。
以纳米纤维素为碳基材料，通过掺杂杂原子（B、N、S、P和F等）可以改善碳材料本身的电子性质，从而改善碳材料的催化活性。掺杂过渡金属也可以提高碳材料的电催化活性，尤其是含氮碳载过渡金属材料（M-N-C，M=Fe、Co、Ni等）。纳米纤维素富含羟基，对金属离子具有一定的吸附固载作用和分散作用。如图2所示，CNC的加入提高了金属钴纳米粒子的分散性，且后续碳化过程中CNC受热释放大量气体，增加了材料的孔隙率，暴露了更多活性位点，可以制备对ORR和OER都具有优秀催化性能的双功能催化剂。

图2 CoA@CNC复合材料自组装及其热解产物示意图
3 纳米纤维素在储能材料领域的研究进展
纳米纤维素经高温碳化可实现由非导电纳米纤维素向导电碳材料的转变，作为锂离子电池碳电极。由于极性—OH基团的存在使纳米纤维素亲水性得以增强，而疏水—CH基的暴露导致纤维素具有疏水面，亲水面和疏水面的存在使纳米纤维素可以被用作分散剂。
与CNC相比，CNF具有高长径比和纤维网络缠绕结构，容易形成气凝胶，其三维网络结构可以为离子的迁移扩散提供一条高效路径，并为静电吸附提供大量的活性位点。同时，CNF经过碳化后具有高导电性、高比表面积和低密度的特点，有利于开发用于柔性和高强度储能装置的电极材料。因此，以CNF气凝胶为基材，结合电活性材料制备的复合材料可以作为一种优秀的电极载体。

图3 三维多孔碳化CNF/MnOx复合电极的制备过程示意图
4 展望
纳米纤维素复合材料的合理设计和开发未来将更多地集中在：（1）纳米纤维素复合材料在电极材料形态的调控性研究；（2）电极材料活性位点的精密调控，如以纳米纤维素为碳源载体构建M-N-C单原子催化剂；（3）通过在制备纳米纤维素的预处理过程中掺杂杂原子等。
文章信息：高昆, 孙姣姣, 沈梦霞, 等. 基于纳米纤维素的电催化与储能材料的研究进展[J]. 2021,40(2): 72-80.

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