中国海洋大学柳伟团队研究成果：碳纳米带的新型制备策略及其电化学性能研究
引言
随着全球对高性能能源存储设备需求的持续增长，开发具有高容量、高倍率性能和长循环寿命的新型电极材料成为研究热点。锂离子电池作为广泛应用的电化学储能装置，其性能核心在于电极材料。目前商用负极材料主要为石墨，但其理论比容量（372 mAh/g）已近极限，难以满足日益提升的能量密度需求。为此，研究者们致力于开发石墨烯、碳纳米管、生物碳等新型碳基材料，这些研究表明，对碳材料的结构形态进行设计与改性，是显著提升其电化学性能的关键路径。本文聚焦于一维碳纳米材料，旨在通过一种创新的复合制备策略，将常规的静电纺丝碳纳米纤维转变为具有更优性能的碳纳米带结构。
一、研究背景
影响锂离子电池性能的关键因素之一是负极材料。为了突破石墨材料在比容量上的瓶颈，各种结构新颖的碳基材料被广泛研究。其中，由静电纺丝法制备的一维碳纳米纤维（CNFs）因其制备简便、比表面积大、导电性好等优点而被视为有前景的候选材料。然而，常规静电纺丝法制备的碳纳米纤维往往存在石墨化程度不高、结构单一等问题，这限制了其电子/离子传输效率和结构稳定性，进而影响其作为负极时的倍率性能和循环寿命。
因此，如何通过有效的后处理或复合工艺，对静电纺丝前驱体进行结构重塑，引入有利于提升电化学性能的独特形貌（如带状结构），并同步提高其石墨化程度，成为一个重要的研究方向。本研究正是在此背景下，提出了一种结合磁控溅射镀铜与高温限域热解的策略，旨在对传统的静电纺丝碳纳米纤维进行形貌和结构的可控改造，以期获得性能更优异的碳基负极材料。文章基于中国海洋大学柳伟团队研究成果及国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目支持。
二、创新亮点
（1）创新的“三步法”制备工艺
本研究提出并成功实践了一种新颖的“静电纺丝-磁控溅射-高温热解”三步制备法。其核心创新在于，在常规静电纺丝制备的PVP纳米纤维膜表面，利用磁控溅射技术均匀包覆一层致密的纳米铜颗粒薄膜。这层铜膜在后续高温碳化过程中，不仅起到了催化石墨化的作用，更关键的是作为一种刚性限域层，通过调控前驱体热解过程中气体的产生与释放，最终引导材料从纤维形态转变为独特的扁平带状结构。
（2）独特的“碳纳米带”结构形成与机理阐明
文章系统研究了不同碳化温度下的产物形貌演变，并清晰揭示了碳纳米带的形成机理。当温度升至600 ℃时，前驱体PVP快速热解产生大量气体，在致密铜膜的包裹下形成高压，最终使纤维沿轴向“爆破”式裂开并展平，形成宽度约900 nm、边缘卷曲的扁平带状结构（CNB-600）。该结构相比于一维纤维，具有更薄的体相和更大的比表面积，这有利于缩短锂离子扩散路径、增加电极/电解液接触界面。
（3）优异的电化学性能验证
更高的石墨化与导电性：XRD与拉曼光谱证实CNB-600石墨化程度更高，电化学阻抗谱（EIS）显示其具有更小的电荷转移电阻。
显著提升的储锂容量与首效：在200 mA/g电流密度下，CNB-600的首圈放电比容量高达1449 mAh/g，首圈库伦效率为51%，均显著优于CNF-600（1002 mAh/g，46%）。
优异的倍率与循环性能：在0.2 A/g到10 A/g的不同电流密度下，CNB-600的容量均高于CNF-600，尤其是在0.2-2 A/g的实用倍率下优势明显。在1 A/g电流密度下循环1000圈后，CNB-600的容量保持率高达88%，远高于CNF-600的42%。
三、图文展示
图1 CNB-600和 CNF-600样品制备工艺示意图
Fig.1 Schematic illustration of fabrication process for CNB-600 and CNF-600 sample
图2 CNB-600和CNF-600的(a)XRD图和(b)拉曼光谱
Fig.2 (a)XRD patterns and (b)Raman spectra of CNB-600 and CNF-600
图4 (a-c)CNB-600的TEM图；(d)CNB-600的HRTEM图
Fig.4 (a-c)TEM picture image of CNB-600;(d)HRTEM pictures of CNB-600
图6 CNB-600，CNF-600和CNB-500形成过程示意图
Fig.6 Schematic diagram of CNB-600,CNF-600 and CNB-500 for mation process
图11 (a)CNB-600和CNF-600在不同电流密度下的倍率性能；(b)CNB-600和CNF-600在1 A/g电流密度下的循环性能和库仑效率。
Fig.11 (a)Rate capability of CNB-600 and CNF-600 at different currentdensities;
(b)Cycling performance and Coulombic efficiency of CNB-600 and CNF-600 at currentdensity of 1 A/g.
四、结论
(1)成功制备与机理明确：
本研究成功开发了一种通过磁控溅射镀铜结合高温热解制备碳纳米带（CNB-600）的新方法。该方法操作可控，并深入分析了碳纳米带的形成机理：致密铜膜在高温下限制PVP热解气体逸出，导致内部压力增大并最终使纤维“炸裂”展平成带。
(2)材料性能显著优化：
所制得的CNB-600相比未镀铜直接碳化的CNF-600，具有更高的石墨化程度、更大的比表面积（46.36 m²/g）和更小的电荷转移阻抗。
(3)电化学性能全面领先：
CNB-600作为锂离子电池负极材料表现出优异的综合性能。其首圈库伦效率提高至43.5%，在0.2～2 A/g小倍率下倍率性能优势显著，尤其是在1 A/g电流密度下循环1 000圈后容量保持率高达88%，展现出远优于对比样品CNF-600（42%）的循环稳定性。
(4)结构-性能关系与展望：
性能提升主要归因于碳纳米带独特的薄层结构、N元素掺杂带来的导电性提升与赝电容效应、以及高石墨化程度的协同作用。该工作为碳基纳米材料的结构设计与性能调控提供了新思路。文章最后指出，后续研究可进一步探索金属离子掺杂改性，以进一步提升碳纳米带电化学性能。
五、引用本文
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文章发表于《功能材料》2026年第57卷第6期
欢迎引用本文：刘帅,武锐涛.碳纳米带的新型制备策略及其电化学性能研究[J].功能材料,2026,57(6):8-16. LIU S,WU R T.Novel preparation strategies and electrochemical performance of carbon nanoribbons[J].Journal of functional materials,2026,57(6):8-16.
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