炭素ナノ繊維の隙間及び電子構造調整に関する最新の研究成果

多孔質炭素ナノ繊維は細孔と電子構造が豊富で、無機ナノ材料の小サイズ効果、優れた耐熱性、化学安定性などだけでなく、自己支持の薄膜を形成しやすく、接着剤を使用することによる界面抵抗の増加と物質移動効率の低下による欠陥を回避し、エネルギー、センシング、環境などの分野で大きな役割を果たしています。

多孔質炭素ナノ繊維を作製する方法は主に活性化法とテンプレート法がある。活性化法は主にKOHまたはHNO 3などの腐食性化学試薬で炭素ナノ繊維の穴をエッチングし，テンプレート法は主にアスファルトまたはポリアクリルを焼いて穴を作る剤との混合物を通して多孔質炭素繊維をその場で形成した。しかし，活性化法は通常比較的複雑で汚染と安全の問題があるが，テンプレート法は大量の有機溶媒を消費する必要がある。さらに，この2つの方法を適用して調製した炭素ナノ繊維の多孔性と電気伝導率は低い。一方，炭素ナノ繊維膜構造の完全性を確保するためには，多孔質炭素ナノ繊維の多孔性が20%以下であることが多く報告されている一方，これらの多孔質炭素ナノ繊維の電気伝導率は通常10 s／cm以下である。従って，多孔質炭素ナノ繊維膜の完全性を維持しつつ，その多孔性と電気伝導率を向上させる方法が課題である。

この問題に基づいて、東華大学紡織科学技術革新センターの兪建勇院士及び丁彬研究員が率いるナノ繊維研究チームはフレキシブルカーボンナノ繊維孔及び電子構造コントロール研究分野で重要な進展を遂げ、関連成果は『スポンジ状多孔質カーボンナノ繊維に基づく多機能フレキシブル高導電膜』（Multional Flexble Membank from Sponge-Link Porous Canfinobers Wiductive）と題して発表しました。

この研究チームは水系静電紡法と巨視的‐微視的二相分離技術に基づいて，高い空隙率と高い伝導率を持つ柔軟な多孔質炭素ナノ繊維膜を作製した。本研究では，炭素前駆体と多孔質剤の均一混合が空隙率と電気伝導率を制御する重要な因子である。ポリビニルアルコール（PVA）、ポリテフロン（PTFE）粒子とホウ素酸（BA）はそれぞれ炭素前駆体、大きな穴誘導剤、架橋剤、マイクロ孔誘導剤として作用します。このうち、BAはPVAとPTFEを化学的に結合することによって、安定したPVA-BA-PFEスピニングゾルを形成し、PVA高分子の自己接着を回避しました。280℃の前酸化過程でPVA脱水素は共役C＝C結合を形成し、初生繊維の安定性を高めました。通体多孔質炭素ナノ繊維中の連続した炭素骨格は電子伝導のための高速チャネルを提供しているが、三次多孔質構造（大孔-メソ-マイクロホール、空隙率が80%以上）はイオン、分子及び粒子などの物質の輸送抵抗を低減しているので、ガス吸着、汚水処理、液体記憶、超容量と電池などの応用分野で多機能性を示している。例えば、この繊維膜はより高い液体記憶能力とより速いメチレンブルー染料吸着能力を有し、この繊維膜で作製した全炭素対称型スーパーコンデンサはより高い電力密度（3.9 kW/kg）とエネルギー密度（42.8 Wh/kg）を有し、硫黄電極として使用する場合、リチウム硫黄電池は1 c電流充電放電の場合、容量は120 mAh/gに達することができる。