第一作者：马文萌、黄港

通讯作者：王延青*

单位：四川大学

研究背景

在能源转型与环境治理需求不断增长的背景下，兼具高比表面积、可调孔结构和优良导电性的多孔碳材料受到广泛关注。然而，传统多孔碳多以粉体形式存在，在电极、吸附剂或催化剂中通常需要粘结剂、导电剂或额外载体，容易造成孔道堵塞、界面电阻增加和结构连续性下降。

多孔碳纤维（PCFs）将多孔碳的界面功能与碳纤维的连续网络相结合，可同时实现电子传输、离子或分子扩散以及宏观结构支撑，并能够加工为自支撑电极、柔性膜和织物。尽管如此，PCFs的性能仍受到孔径分布、孔道连通性、石墨化程度、表面化学和纤维完整性等多种因素的共同影响，如何建立可靠的结构—性能关系并实现绿色、规模化制备，仍是该领域面临的关键问题。

成果简介

基于此，四川大学王延青特聘研究员课题组在国际期刊Journal of Power Sources发表综述论文“Engineering Porous Carbon Fibers: From Molecular Design to Macroscopic Assembly for Energy and Environmental Applications”，为多孔碳纤维的研发提供重要理论支撑与技术参考。

本综述围绕多孔碳纤维（PCFs）的制备、结构调控与应用展开，建立了从前驱体设计到宏观组装再到器件功能的分析框架。将现有制备策略归纳为两类：一类是在纤维成形过程中原位构筑孔道的自下而上方法，包括相分离、嵌段共聚物诱导微相分离和模板辅助法；另一类是通过后处理选择性刻蚀形成孔隙的自上而下方法，主要涉及CO₂、KOH、NaOH、金属辅助和酸活化。综述重点讨论了前驱体化学、孔道架构、表面功能化、杂原子或金属掺杂、石墨化程度及纤维完整性之间的耦合关系，并分析了这些因素对离子和分子传输、电子输运及活性位点利用的影响。

在应用方面，PCFs已广泛用于电池、超级电容器、电催化、CO₂捕集与转化、分离和电磁屏蔽等领域。连续的纤维网络不仅能够作为自支撑导电骨架和活性物质宿主，还可通过分级孔道改善离子扩散、反应物传输和界面接触。在催化及环境应用中，杂原子掺杂、金属—氮—碳位点、单原子和异质结构可进一步赋予PCFs可调的表面化学和反应活性。文章还从结构—功能关系出发，讨论了孔径分布、孔道连通性、表面化学、石墨化程度和宏观组装形式如何共同决定材料的实际性能。

在此基础上，综述指出，PCFs的优化目标不应局限于追求更高的比表面积，而应根据具体应用协调孔结构、传输行为、导电性、机械强度和器件集成。针对结构—性能关系定量化不足、活化过程难以兼顾孔隙发展与纤维完整性、规模化制备和环境影响评价仍不充分等问题，作者提出了发展可持续连续制造、应用导向的孔结构设计、统一的器件级评价标准和多尺度建模方法等未来方向，为多孔碳纤维由实验室材料走向实际能源、环境与电子技术应用提供了设计依据。

图1. 多孔碳纤维的制备、结构调控与应用策略综述

本文要点

要点一：自下而上构筑孔道

自下而上的策略强调在纤维前驱体成形过程中直接引入孔结构，使孔道形成与纤维骨架构筑同步进行。该类方法主要包括相分离、嵌段共聚物诱导微相分离和模板辅助法。

相分离是其中较为常见的一种方法。在聚合物溶液受到溶剂交换、温度变化、湿度变化或溶剂挥发等因素扰动后，体系会分离为富聚合物相和贫聚合物相。富聚合物相最终形成纤维骨架，贫聚合物相则在溶剂去除、固化或碳化过程中转变为孔隙。根据相分离路径的不同，成孔过程可表现为成核-生长或旋节线分解，分别对应相对独立的孔洞和相互连通的双连续孔道。通过调节聚合物浓度、溶剂交换速率、温度和湿度，可以进一步控制孔结构和纤维连续性。

图2. 非溶剂诱导的相分离策略

嵌段共聚物诱导微相分离则利用不同嵌段之间的热力学不相容性，在纳米尺度形成规则的微相结构。通常情况下，一个嵌段作为成碳相，另一个嵌段作为牺牲相。经过静电纺丝、稳定化和碳化后，牺牲嵌段分解或去除，原有的微相区域转化为尺寸均一的介孔。

模板法则通过预先引入可移除或可牺牲的模板，实现对孔径、孔道形貌和表面活性位点的进一步调控。根据模板类型和使用方式，模板法可分为单模板法和双模板法。单模板法主要包括传统无机硬模板、自牺牲MOF模板和水溶性盐模板，其中MOF和盐模板能够在形成孔隙的同时实现氮掺杂、缺陷调节或活性位点暴露。双模板法则结合两种模板的结构调控作用，通过软模板与硬模板、聚合物模板与无机模板或不同MOF模板的协同作用，构筑具有更高有序度和更复杂孔径分布的分级多孔碳纤维。

图3. 单模板法构建多孔碳纳米纤维：

(a) 石蜡油@PAN/TEOS纳米纤维的同轴静电纺丝示意图；(b) 静电纺丝膜实物照片；(c,d) 初纺纤维的SEM和TEM图像；
(e,f) 碳化后碳/SiO₂复合材料的SEM和TEM图像；(g) HF刻蚀后分级多孔PCCNFs的SEM图像；(h) ZIF-8模板化生成含中空氮掺杂碳纳米笼的氮掺杂石墨碳纳米纤维，用于稳定的钾离子存储；(i) 在Ar气氛下于900 °C借助NaCl制备交联介孔N-Cs的合成过程示意图；(j-l) ZP-900的SEM图像，显示封闭介孔结构；(m) 锌辅助热刻蚀富集缺陷碳纳米纤维中边缘定位的Fe-N₄位点，从而提高ORR活性。

总体而言，自下而上的优势在于结构精度高、孔道可设计性强，并且能够实现孔结构与纤维组装的一体化构筑。但其前驱体合成、溶剂使用、模板去除和连续化生产过程相对复杂，如何在保持结构有序性的同时降低成本、减少环境负担并提高制备稳定性，是该路线进一步发展的关键。

要点二：自上而下调控孔结构

与自下而上的原位构筑不同，自上而下策略通常以已经形成的碳纤维或碳纤维前驱体为基础，通过物理或化学后处理选择性去除碳骨架中的部分区域，从而扩大原有孔隙或形成新的孔道。该方法工艺相对直接，适用的前驱体范围较广，尤其适合对生物质碳纤维、聚合物衍生碳纤维和天然纤维进行进一步孔结构调节。

物理活化主要采用CO₂或水蒸气等气体与碳材料发生气化反应。CO₂活化的反应速率相对缓慢，能够逐步发展微孔和介孔，同时较好地保持纤维骨架和导电网络，因此适用于对纤维完整性要求较高的电极、吸附材料和膜材料。

化学活化则主要包括KOH、NaOH、金属辅助和酸活化。KOH和NaOH具有较强的刻蚀能力，通常能够显著提高比表面积和孔体积；金属辅助活化可通过挥发、催化刻蚀或热蚀作用调节孔道和缺陷结构；酸处理除了形成孔隙外，还可能改变表面官能团、促进纤维原纤化或引入新的反应位点。

图4.KOH活化多孔碳纤维：

(a)多孔碳纳米纤维与活化碳纤维的比电容-强度关系图；(b)多孔碳纳米纤维与碳纤维；(c)传统碳纤维基电极与双尺度多孔碳电极示意图；(d)双峰多孔氮掺杂碳纳米纤维的形成机理。

不同活化方式形成的孔结构具有明显差异。微孔能够提供更多吸附和电荷存储位点，介孔有利于电解液和反应物扩散，宏孔则可以作为物质传输和结构缓冲通道。因此，实际应用中通常需要构建分级孔结构，而不是单纯增加某一类孔隙。例如，在超级电容器和气体吸附体系中，较高的微孔比例有利于提高活性位点数量；在流动电池、电催化和分离膜中，介孔和宏孔的连通性往往更加重要。

然而，活化强度并非越高越好。过度刻蚀虽然能够提高比表面积，但也可能造成碳收率下降、孔壁变薄、孔道失联和力学性能衰减。对于纤维材料而言，活化过程还必须避免破坏连续的电子传输路径和宏观骨架。因此，自上而下方法的核心并不是追求最大孔隙率，而是在孔道可及性、离子/分子传输、导电性、碳收率和机械稳定性之间进行平衡。

要点三：多孔碳纤维的应用

多孔碳纤维的独特优势并不只来自高比表面积和丰富孔隙，更在于其能够将纳米尺度的孔道与宏观连续的纤维网络结合起来。连续纤维骨架可以提供稳定的电子传输路径和力学支撑，分级孔道则有助于电解液、气体和反应物快速进入材料内部。因此，PCFs既可以作为独立的自支撑材料使用，也可以进一步与金属氧化物、硫、硅、单原子催化剂和聚合物等组装形成复合结构。

在电池和超级电容器中，PCFs可作为导电骨架、活性物质宿主、自支撑集流体或无粘结剂电极。其连续网络能够减少聚合物粘结剂和导电添加剂带来的界面阻碍，分级孔道则能够改善电解液浸润和离子扩散。在锂、钠等电池体系中，多孔碳纤维还可以通过限域效应缓解活性物质的团聚、体积变化和中间产物迁移。在超级电容器中，微孔主要提供电荷存储位点，介孔和宏孔则负责离子快速输运，因此合理的分级孔结构通常比单纯提高比表面积更有利于倍率性能和高负载运行。

图5.用于锂离子电池的典型多孔碳纤维复合电极：

(a)氮掺杂碳纳米纤维/铁酸钴复合纤维制备示意图；(b)铁酸钴包覆氮掺杂碳纳米纤维网状纤维的扫描电镜图； (c)聚丙烯腈、聚丙烯腈/有机盐、聚丙烯腈/无机盐前驱体纤维的傅里叶变换红外光谱；(d)用于制备微纤维内嵌纳米纤维碳硅复合薄膜的同轴静电纺丝流程示意图；(e)包裹于聚丙烯腈微纤维内部的硅/聚乙烯醇纳米纤维束碳化前后的结构演变；(f)碳硅复合电极的充放电曲线；(g)不同硅掺杂量碳硅复合电极的循环性能与库仑效率；(h)以稻壳为原料制备Fe-N-C/氧化硅/碳复合纤维的合成路线示意图。

在电催化领域，PCFs能够同时发挥导电载体、传质通道和活性位点承载平台的作用。通过引入氮、氧、磷等杂原子，或构筑金属—氮—碳位点、单原子位点和异质结构，可以进一步调节碳骨架的电子结构和表面反应活性。介孔网络不仅有利于反应物和产物扩散，还可能改变催化剂内部的局部反应环境，从而影响反应路径和产物选择性。与粉体催化剂相比，自支撑多孔碳纤维膜还具有结构稳定、易于回收和便于器件集成等优势。

除电化学和催化应用外，多孔碳纤维还被用于CO₂捕集与转化、油水分离、气体分离、污染物去除和电磁屏蔽等领域。微孔和杂原子官能团能够增强气体分子的吸附，精确调节的超微孔则有助于实现分子筛分；表面润湿性调控可赋予纤维膜亲水、疏水或超疏水特征，从而用于液体分离；连续导电网络、界面极化和多重散射则共同提升其电磁屏蔽能力。由此可见，PCFs的应用性能取决于前驱体化学、孔道架构、表面功能和宏观组装的协同匹配。

总结与展望

多孔碳纤维正在从“高比表面积碳材料”发展为兼具分子可设计性、孔道可调控性和宏观可加工性的结构平台。多孔碳纤维兼具高比表面积、可调控孔结构、相互连通的传输通道以及连续纤维骨架，在储能、催化、吸附、分离、环境修复与电磁屏蔽领域具备可观应用价值。但无法依靠单一结构参数预判其性能。孔形貌、孔连通性、石墨化程度、表面官能团、杂原子排布以及宏观纤维组装结构共同调控离子与电子传输效率、催化可接触位点、吸附选择性、机械稳定性以及电磁衰减能力。本文综述了多孔碳纤维主流制备方法，包括相分离、嵌段共聚物诱导微相分离、模板法与活化法，并梳理了其在电池、超级电容器、电催化、二氧化碳捕集转化、物质分离以及电磁屏蔽方面的典型应用。

未来多孔碳纤维的研究可主要从三个核心方向推进。

（一）构建精准量化的构效关系与完善的评价体系，摒弃依靠单一结构参数和经验试错的研发模式，依托原位工况表征、理论建模与数据驱动分析，系统阐明孔道结构、表面官能团、缺陷结构、纤维网络构型等多因素的协同作用机制，明确不同应用体系的主导结构调控参数，同时将评价维度从单一材料性能延伸至器件与工艺层面，建立统一标准化测试基准，结合不同应用场景完善多元化评价指标，客观甄别材料本征性能优势，实现材料的可预测化精准设计。

（二）推进多孔碳纤维的宏观结构组装与功能化应用升级，结合编织、层压、冷冻浇铸、3D打印等先进加工工艺，实现材料宏观功能结构的可控构筑，同步协同微纳尺度孔道精准调控，制备柔性稳定、多功能化的宏观成型材料，充分发挥多孔碳纤维作为活性材料、集流体、催化载体、分离膜等多重作用，适配柔性储能器件、可穿戴电子、流通式吸附与催化体系等前沿应用场景。

（三）开发绿色、低成本、可规模化的可持续制备技术，突破传统制备工艺高能耗、高成本、高污染、流程复杂的局限，重点开发可再生低成本前驱体、低溶剂消耗加工工艺以及无模板、可循环模板制备策略，优化碳化与活化工艺，降低制备能耗与成本、提升碳产率，依托多尺度协同结构工程设计，统筹分子级前驱体设计、微观结构调控与宏观纤维组装，推动多孔碳纤维从经验优化型材料向结构可编程、性能可定制的高端功能平台迭代，助力其在清洁能源、环境治理与先进电子领域的工业化落地与多元化应用。

文章链接

Engineering porous carbon fibers: From molecular design to macroscopic assembly for energy and environmental applications

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.240976

通讯作者简介

王延青特聘研究员简介：四川大学研究员，博导，四川省青年人才，四川省天府峨眉计划创业领军人才、成都市重大人才计划“蓉漂计划”、江苏省双创人才，国家炭黑材料工程技术研究中心首席专家，国家制革技术研究推广中心特聘专家，先进高分子材料全国重点实验室固定人员，四川省专家服务团专家。入选四川大学“双百人才工程”计划（2019-2023），日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员（2015-2017）。2010年硕士毕业后去日本留学，于2014年获日本北海道大学理学博士学位，毕业后在北海道大学、东京大学及日本企业（日本トリム）从事纳米碳材料的基础及应用研究。在日本期间，主持日本学术振兴会（JSPS）青年学者项目，参与日本学术振兴会、日本农研机构、日本农林水产省等10余项科研项目。2019年回国后在四川大学高分子科学与工程学院组建了一支年轻并充满活力的研究团队，成立先进碳与能源材料研究室，任课题组长，致力于有关高分子可控组装和纳米碳材料相关的研究工作。主要从事超长碳纳米管的单分散原理及技术开发、碳基材料的设计制备及其在能源、环境相关领域的应用基础研究，主要包括：超长碳纳米管在全体系溶剂（极性、非/弱极性有机无机体系、固态）的单分散研究、新型低添加高倍率快充电池导电剂、钠电池硬碳/多孔碳负极、导热高分子复合材料、碳基导热/散热材料、电磁屏蔽/吸波材料、柔性显示材料、3D打印等，在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy、Research、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Small、Journal of Power Sources、Carbon、Nanoscale等主流期刊上发表100余篇论文，以第一/通讯作者发表60余篇，其中有4篇论文入选了ESI高被引，Web of Science总引用3500余次，相关成果在国内外引起了广泛的关注。在校外兼任国家炭黑材料工程技术研究中心首席专家、Carbon Future期刊青年编委、四川省欧美同学会·四川留学人员联谊会建言资政专门委员会委员等职务。回国后主持国家自然科学基金委NSAF联合基金重点项目课题、共建先进碳能源材料技术联合研究实验室、人社部中国留学人员回国创业启动支持计划（重点类）、四川省科技厅国际科技创新合作项目、四川大学高层次人才引进项目、校地合作项目（自贡、遂宁、南充）、企业项目等共10多项。申请、授权中国发明专利30余项、美国专利2项、日本专利2项。究成果获得了山东省科技进步一等奖、中国专利优秀奖（2项）、山东省专利奖、2025年中国产学研合作促进会科技创新奖二等奖、2025年度中国商业联合会科学技术奖二等奖、JSPS外国青年学者研究奖励、第二届全国博士后创新创业大赛铜奖、国家优秀自费留学生奖学金等，入选中国留学人员回国创业启动支持计划重点类项目（当年四川省仅1项）、四川省特聘专家、四川省天府峨眉计划创业领军人才、成都市重大人才计划“蓉漂计划”、江苏省双创人才、盐都特聘专家等。2024-2025年在江苏省常州市国家高新区（新北区）科技局挂职副局长。

课题组同日本北海道大学，东京大学，信州大学，澳大利亚悉尼大学，美国宾夕法尼亚州立大学等多所国际一流高校保持着紧密合作关系。课题组常年招收硕士、博士及博士后等，欢迎邮件联系交流。也欢迎本院及外学院相关专业本科生进入课题组学习和开展研究工作，可以为组内的成员出国留学提供良好的平台。课题组先后推荐7名优秀学生到东京大学、京都大学、大阪大学等攻读硕士、博士学位。

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/wangyanqing

第一作者简介

马文萌：四川大学高分子科学与工程学院硕士研究生。

黄港：四川大学高分子科学与工程学院博士研究生。