随着全球对可再生能源需求的日益增长，开发高效、清洁的能源存储与转换技术成为科研界和工业界关注的焦点。电纺碳纳米纤维（CNFs）因其优异的导电性、高比表面积和良好的机械柔韧性，被认为是构建高性能电极材料的理想载体。近年来，将硫化物和硒化物与电纺CNFs复合，制备多功能复合材料，已在超级电容器、碱金属离子电池、锂硫电池、锌空电池、柔性可穿戴设备、摩擦电纳米发电机及水分解等先进能源存储与转换领域展现出广阔的应用前景。

近日，浙江理工大学杨超研究员、武观研究员与英国诺森比亚大学徐斌(Ben Bin Xu)教授合作，在《Small》 期刊上发表了题为“Recent Progress of Electrospun Structural Nanofiber-Based Sulfides/Selenides for Advanced Energy Storage and Conversion”的综述文章。该文章系统性地阐述了如何利用静电纺丝技术，通过多尺度结构协同设计，将高活性的硫化物/硒化物与碳纳米纤维复合，全面优化其在多种能源器件中的性能，并前瞻性地指出了人工智能和机器学习在该领域的巨大潜力。

电纺CNFs高比表面积和丰富的孔结构有利于离子的快速传输，并为硫化物和硒化物提供强有力的支撑，缓解了活性材料在充放电过程中的体积膨胀和结构坍塌。该论文从组装机制—材料制备—结构优化—性能调控—全面能源存储与转换设备应用，深入剖析了静电纺CNFs硫化物和硒化物的优势、缺点和未来发展。

一、 三种制备策略：从简单复合到强耦合界面

详细梳理了三种主流的复合材料制备方法，揭示了从“物理混合”到“界面化学键合”的演化路径。

主要包括:

1混合电纺：简单高效，高负载量

将硫化物或硒化物的前驱体直接与聚合物（如PAN）纺丝液共混，经过静电纺丝和后续热处理一步成型。该方法工艺简单，活性物质负载量高，且纤维内部包覆能有效缓冲体积变化。

2直接表面生长：可控功能化，高活性位点暴露

在预制的CNFs上通过水热、溶剂热或电沉积等方式二次生长硫化物/硒化物。这种方法实现了活性材料在纤维表面的可控、均匀生长，极大增加了电化学活性位点与电解液的接触面积，提升了传质效率。

3原位生长：强耦合界面，卓越稳定性

将金属有机框架（MOF）等前驱体嵌入纤维中，在碳化过程中与S/Se源同步反应，使活性物质“焊接”在CNFs上。这种策略形成了牢固的化学键合和紧密的界面接触，表现出卓越的结构稳定性和循环寿命。

图1：静电纺CNFs/硫化物和硒化物的结构优势和应用示意图。

二、 多尺度结构工程：从微观骨架到原子级调控

性能的提升源于精细的结构设计。该综述从微观到原子尺度，深入剖析了五类关键结构（分级多孔结构、核壳结构、异质结构、缺陷工程和原子掺杂）

1分级多孔结构：构建离子传输“高速公路”

具有大孔-介孔-微孔的多级孔CNFs为离子扩散提供了快速通道，并能有效缓冲充放电过程中的体积膨胀。

2核壳结构：实现主动限域与保护

“壳层”碳纤维不仅提供了高导电网络，还作为物理屏障防止活性物质团聚和溶解。

3异质结构：催化“1+1>2”的协同效应

不同材料在界面处形成的异质结（如FeS2/WS2）能够诱导电荷重新分布、优化电子结构，从而显著增强反应动力学，实现从“物理限域”到“化学催化”的功能飞跃。

4空位工程：激活原子级活性位点

在硫化物/硒化物中制造S空位或Se空位，可以改变材料的电子结构，降低离子扩散能垒，暴露更多活性位点。

5 原子掺杂：精准调控电子轨道

引入非金属（N, S, B）或金属（Mo, Fe）等杂原子，可以引起晶格畸变和电荷重排，有效调节材料的能带结构和导电性。

图2：a，b)近五年来有关碳纳米纤维/硫化物和硒化合物在储能方面的一些报道，c，d)电纺碳纳米纤维的工艺和合成机理，e)不同结构的碳纳米纤维/硫化物和硒化合物的组装机理。

三、AI与机器学习（ML）：引领材料研发新范式

本综述的一大亮点是系统阐述了人工智能与机器学习在材料领域的革命性作用。

1工艺优化：AI通过实时监控电压、湿度、溶液粘度等参数，实现电纺过程的精准控制与自适应调整，显著提高纤维形貌的一致性和质量。

2材料设计：ML模型能够预测新硫化物/硒化物材料的稳定性与性能，快速筛选最优化学组成，将传统“试错”模式转变为“理论预测-实验验证”的高效范式。

3绿色制备：AI可辅助筛选低毒性溶剂和可生物降解聚合物，推动电纺技术的绿色、可持续发展。

图3：a)将先进的电纺、硫化物和硒化物与人工智能相结合-在机器学习和自动化的驱动下，用于指导优化、材料发现和数据挖掘。b)全面控制静电纺丝、硫化物和硒化物、环境安全考虑、加入可生物降解聚合物以及绿色溶剂，以确保可持续性和无毒性。

四、 广泛应用全景图：从能量储存到收集与转换设备

基于其卓越的性能，CNFs/硫化物/硒化物复合材料在多个能源领域大放异彩：

1超级电容器与碱金属离子电池：兼具高功率密度和高能量密度，是柔性器件的理想选择。

2锂硫电池：作为硫宿主或隔膜修饰层，通过强化学吸附和催化转化，有效抑制“穿梭效应”。

3锌空电池：作为非贵金属双功能催化剂，驱动高效的氧还原和析氧反应，成本远低于Pt/Ir基催化剂。

4摩擦纳米发电机：复合纤维膜的高比表面积和可调摩擦电性，使其成为高效能量收集和自供能传感的优质材料。

5电催化水分解：在析氢和析氧反应中表现出高催化活性和稳定性，为绿色制氢提供了廉价、高效的解决方案。

五、挑战与未来展望

最后，该综述指出，尽管CNFs/硫化物/硒化物复合材料展现出巨大潜力，但其发展仍存在微观结构与宏观性能的关联性、大规模制备的工艺稳定性、以及全器件层面的集成挑战。未来，研究将趋向于：（1）多策略融合：将多种制备方法与多尺度结构设计协同整合，实现“导电-缓冲-催化”多位一体。（2 ）AI深度赋能：构建“设计-制备-表征-优化”的智能研发闭环，大幅加速新材料创新制备。（3）产业化应用：聚焦绿色、低成本的宏量制备技术，并探索其在柔性电子、智能电网等真实场景中的应用模式。

总之，静电纺丝工程为高性能硫化物/硒化物基能源材料的设计与开发提供了广阔而强大的平台，通过持续的多尺度结构创新与学科交叉，有望加速推动其在柔性电子与大规模储能领域的实用化进程。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202509117

人物简介：

杨超，男，工学博士，浙江理工大学特聘研究员。2023年博士毕业于武汉理工大学。从事新能源电池材料与器件、功能纤维材料与器件的研究。主要针对宽温二次电池电解液；高安全二次电池电解液；高电压电池体系；智能响应电池材料的设计和应用。在Adv. Mater., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等国际学术期刊上发表论文30余篇；主持国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金青年项目等。

武观，浙江理工大学研究员、博士生导师，国际交流合作处副处长，国家青年科学基金项目（B类）[原国家“优青”项目] 获得者。主要从事储能纤维及智能器件研究，聚焦于二维材料、纳微纤维、功能织物、超级电容器、锌/钠/锂离子电池、传感器、电驱动器及可穿戴应用。以第一作者和通讯作者在Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Coordin. Chem. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊发表SCI论文60余篇；研究成果被Science、Nat. Rev. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等学术刊物亮点报道。获中国纺织工业联合会科学技术奖-自然科学奖二等奖1项 (第一完成人)。主持国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金重大项目、江苏省优秀青年基金项目等共10余项。担任国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、国家级人才项目评审专家。

徐斌(Ben Bin Xu)，英国诺森比亚大学工程、物理与数学学院材料与能源(讲席)教授。研究兴趣涵盖材料、表面、可持续性、能源、生物医学工程和微工程。已发表 260多篇期刊文章(h index 59)、撰写10 本书籍/章节、获得7项专利，受邀演讲100多场，并多次获奖(2024年度斯坦福/爱思唯尔世界前2%科学家)、2023 年度AIChE复合材料领域杰出研究中期研究员奖、国际聚合物网络工作组2016年度青年研究员奖等)。现担任loM3材料表征与性能工作组主席以及美国化学工程学会复合材料方向主席。