DOI: 10.3390/en14051353

采用双组分聚合物混合物静电纺丝技术、溶胶-凝胶反应以及随后的碳化处理制备了由不同金属氧化物纳米粒子修饰的碳纳米纤维。由于聚丙烯腈（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的不混溶性，通过相分离制备了具有可控直径的PAN/PVP核/壳型电纺聚合物纳米纤维。以电纺纳米纤维作为含PVP结合位点的支撑材料，从而引入氧化钛前驱体。随后，纤维的碳化导致形成了碳纳米纤维@TiO2，其中金红石型TiO2纳米颗粒修饰在碳纳米纤维的表面上。这种修饰有TiO2的碳纳米纤维电极在锂离子电池中表现出优异的电化学性能（在5C下循环100次的放电容量约为600 mAh g-1）。此外，通过相似的方式可以制备出由其他金属氧化物（NiO、SnO2和ZrO2纳米颗粒）修饰的碳纳米纤维。

图1.不同金属氧化物纳米粒子修饰碳纳米纤维的制备方案。

图2.聚丙烯腈（PAN）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）双组分纳米纤维的SEM图像：（a）水萃取之前和之后（b），以及（c）热解碳纳米纤维。

图3.含TiO2的碳纳米纤维的形态：（a）TiO2纳米粒子修饰碳纳米纤维的SEM图像和（b）TEM图像（含0.1mL/mL TiO2前体溶液的10wt％PAN/PVP）。（c）EDS线扫描轮廓显示出C、O和Ti的空间位置。

图4.所制备的纳米纤维的表征。（a）PAN/PVP（黑色），PAN/PVP@TiBu（红色）和TiO2修饰碳纳米纤维（蓝色）的XRD图和（b）拉曼光谱。

图5.在以下条件下制备的具有不同直径和数量的CNF@TiO2的SEM图像：（a）含0.1mL/mL TiO2前体溶液的15wt％PAN/PVP，（b）含0.1mL/mL TiO2前体溶液的20wt％PAN/PVP，以及（c）含0.5mL/mL TiO2前体溶液的10wt％PAN/PVP。

图6.具有不同含量TiO2的CNF@TiO2的TGA曲线：（a）65％（红色），（b）30％（黑色），（c）20％（蓝色）和（d）5％（品红色）。

图7.不同含量TiO2修饰碳纳米纤维电极的电化学性能。（a）独立式CNF@TiO2电极的照片。在0.01-3.0V范围内，（b）20wt％TiO2修饰碳纳米纤维电极和（c）30wt％TiO2修饰碳纳米纤维电极在2C下的循环性能。

图8.含不同金属氧化物纳米粒子的碳纳米纤维的SEM图像和相应的XRD图：（a，b）ZrO2，（c，d）SnO2和（e，f）NiO。