静电纺丝制备碳纳米纤维基底

通过 静电纺丝制备碳纳米纤维基底 ，再在其表面负载 FeNi 层状双氢氧化物（FeNi-LDH），是一种兼具碳材料导电性 / 高比表面积与LDH 催化 / 吸附活性的复合功能材料制备策略。该材料在电催化、吸附分离、能量存储等领域具有广泛应用前景。以下从制备流程、关键工艺、表征方法及应用方向四个方面进行详细阐述。

核心制备流程总览

整个过程分为两大核心步骤：碳纳米纤维基底的静电纺丝 – 碳化制备，以及FeNi-LDH 在 CNFs 表面的负载。流程示意图如下：
高分子纺丝液 → 静电纺丝制备高分子纳米纤维膜 → 预氧化 + 碳化制备 CNFs 基底 → FeNi-LDH 负载（原位生长 / 沉积等） → FeNi-LDH/CNFs 复合膜

步骤 1：碳纳米纤维（CNFs）基底的制备（静电纺丝 + 碳化）

静电纺丝是制备连续纳米纤维的经典技术，通过高分子前驱体纺丝后碳化，可获得具有高比表面积、多孔结构和良好导电性的 CNFs 基底。

1.1 原料选择
（1）高分子前驱体
选择原则：碳化后残碳率高、纺丝性能好（成纤性强、不易断裂）。

（2）溶剂
需与前驱体良好互溶，且挥发速率匹配纺丝需求：

PAN 常用N,N – 二甲基甲酰胺（DMF） 或 N,N – 二甲基乙酰胺（DMAc）；
PVA 常用去离子水；
沥青常用四氢呋喃（THF） 或甲苯。
（3）添加剂（可选）
掺杂剂：如石墨烯、碳纳米管（CNTs），提升 CNFs 导电性和力学性能；
致孔剂：如聚乙二醇（PEG），碳化后形成多孔结构，增大比表面积。

1.2 静电纺丝工艺参数控制
纺丝参数直接影响纤维直径（通常 50~500 nm）、连续性和形貌，典型参数范围如下：

• 纺丝液浓度： 10~20 wt%（PAN）
• 纺丝电压： 15~25 kV
• 接收距离： 10~20 cm
• 推液速率 ： 0.5~2 mL/h
• 环境湿度： 30%~50%
• 环境温度： 20~30 ℃

操作要点：纺丝前需将纺丝液磁力搅拌 4~12 h 至均匀，并用 0.45 μm 滤膜过滤去除杂质，避免堵塞针头。接收装置可选用铝箔（平面接收）或滚筒（取向纤维接收）。

1.3 碳化过程（关键：预氧化 + 碳化 / 石墨化）
高分子纤维需通过碳化去除非碳元素（O、N、H 等），形成碳骨架。分两步进行：
（1）预氧化（ stabilization ）
目的：防止碳化时纤维熔融、粘连或断裂，通过氧化反应形成稳定的梯形结构（如 PAN 的环化反应）。
条件：空气氛围中，升温速率 5~10 ℃/min，终温 200~300 ℃，保温 1~2 h。
关键：升温速率不可过快，否则纤维易开裂。
（2）碳化 / 石墨化
目的：去除小分子杂质，形成类石墨结构的碳纳米纤维。
条件：惰性气体（N₂或 Ar）保护，升温速率 5~15 ℃/min，终温 600~1200 ℃（碳化）或 1500~2500 ℃（石墨化），保温 1~3 h。
影响：温度越高，石墨化程度越高，导电性越好，但比表面积可能降低（孔径收缩）。

三、步骤 2：FeNi-LDH 在 CNFs 表面的负载

FeNi-LDH 是由 Fe²⁺/Fe³⁺和 Ni²⁺通过羟基桥连形成的层状材料，化学式可表示为 **[FeₓNiᵧ(OH)₂]ᵃ⁺(Aⁿ⁻)ₐ/ₙ・mH₂O**（Aⁿ⁻为层间阴离子，如 NO₃⁻、Cl⁻）。其负载需保证结合力强、分散均匀、暴露更多活性位点。

关键调控因素

• Fe/Ni 摩尔比：直接影响 LDH 的催化活性（如析氧反应中，Ni²⁺为活性中心，Fe³⁺可增强电子传递，最佳比例通常为 Fe:Ni=1:2 或 1:3）。
• pH 值：LDH 的形成需要碱性环境（pH 8~11），pH 过低则难以沉淀，过高则易形成 Fe (OH)₃或 Ni (OH)₂杂相。
• 反应温度：温度升高可促进 LDH 结晶，但过高会导致层状结构坍塌。
• CNFs 表面预处理：通过氧等离子体处理（30~60 W，5~10 min）或H₂O₂浸泡（5~10 wt%，室温 2 h）引入 – OH、-COOH 等活性位点，增强与 LDH 的界面结合力。

四、材料表征方法

为验证 FeNi-LDH/CNFs 复合材料的结构、组成和性能，需结合以下表征手段：

4.1 物理结构表征

• 扫描电镜（SEM）： 纤维直径、LDH 负载形貌（如纳米片厚度、分散性）
• 透射电镜（TEM：） LDH 晶体结构、与 CNFs 的界面结合情况
• X 射线衍射（XRD）： 晶体结构（LDH 特征峰、CNFs 石墨化峰）
• Raman 光谱： CNFs 石墨化程度（D 峰 / G 峰强度比）
• BET 比表面积 ：比表面积、孔径分布

4.2 化学组成表征

• X 射线光电子能谱（XPS）：分析表面元素价态（如 Fe³⁺、Ni²⁺的存在）和相对含量（如 Fe:Ni=1:2.8）。
• 电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）：精确测定 Fe、Ni 的总含量（如 LDH 负载量为 25 wt%）。
• 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：验证 LDH 的层间阴离子（如 1384 cm⁻¹ 为 NO₃⁻的特征峰）和表面官能团。

4.3 性能测试

• 电催化性能：通过线性扫描伏安法（LSV）测试析氧（OER）、析氢（HER）或氧还原（ORR）活性，以过电位（η）和Tafel 斜率评价性能优劣（如 OER 中，η₁₀=280 mV，Tafel 斜率 = 65 mV/dec 为优异水平）。
• 吸附性能：通过批量吸附实验测试对重金属离子（如 Cr⁶⁺）或有机染料（如甲基橙）的吸附容量和动力学。
• 力学性能：通过万能材料试验机测试复合膜的拉伸强度和断裂伸长率（通常为 10~20 MPa，伸长率 5~10%）。

五、典型应用方向

FeNi-LDH/CNFs 复合材料结合了 CNFs 的导电性和 FeNi-LDH 的活性，主要应用于以下领域：

5.1 电催化领域
电解水制氢 / 制氧：作为阳极催化剂用于析氧反应（OER），替代昂贵的 IrO₂催化剂；
锌 – 空气电池：作为空气阴极的氧还原 / 氧析出双功能催化剂。

5.2 吸附分离领域
重金属离子吸附：利用 LDH 层间阴离子可交换性，吸附废水中的 Cr⁶⁺、AsO₄³⁻等；
有机污染物去除：通过氢键或静电作用吸附染料（如罗丹明 B）、酚类化合物。

5.3 能量存储领域
超级电容器：LDH 提供赝电容（氧化还原反应储电），CNFs 提供双电层电容，总比电容可达 500 F/g 以上；
锂离子电池：作为负极材料，利用 Fe、Ni 的氧化还原反应实现高容量储锂。

六、关键挑战与解决思路

LDH 负载不均匀：通过优化 CNFs 表面预处理（如等离子体刻蚀）和反应参数（如缓慢滴加碱液）改善；
复合材料导电性不足：提高 CNFs 碳化温度（如 1000~1200 ℃）或掺杂 CNTs、石墨烯；
LDH 在循环过程中脱落：通过原位生长法增强界面结合，或引入聚合物（如 PVA）作为粘结剂。

综上，静电纺丝 – 碳化制备 CNFs 基底，结合原位生长等方法负载 FeNi-LDH，是一种可控、高效的复合功能材料制备技术。通过调控纺丝参数、碳化条件和 LDH 生长工艺，可实现材料性能的定向优化，满足不同应用场景的需求。

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