碳纳米纤维结构设计及其对水污染物吸附机制的研究进展

方 舟， 宋磊磊， 孙保金， 李文肖， 张 超， 闫 俊， 陈 磊

(1. 天津市特种设备监督检验技术研究院， 天津 300192； 2. 天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387； 3. 中航装甲科技有限公司， 天津 300304； 4. 苏州市相城检测股份有限公司， 苏州 215110)

随着全球工业化、城市化进程的加速，生活污水及工业废水的产量飞速增加，与水资源匮乏问题形成强烈的矛盾。由采矿、冶金、锅炉管道清洗、电镀以及轻工等行业排放的多种有毒物质，直接威胁到人类的生命健康。如何实现水中污染物的高效、低成本治理与绿色、资源化回收是我国可持续发展所面临的重要课题，也是国内外环保领域研究的热点和难点问题。迄今，国内外已研发了多种污水处理方法，主要有化学沉淀法、螯合沉淀法、氧化还原法、铁氧体法、离子交换法、膜分离法、电化学法、浮选法、吸附法等[1]。吸附法是利用具有多孔性或高比表面积的固体材料吸附废水中污染物分子或离子的方法，适用于各种污染废水，具有处理效率高、操作简单、吸附剂来源广和成本较低等优点[2-3]。活性炭、沸石、树脂、黏土等为工业上应用较为广泛的吸附剂，但均存在吸附量低、回收及循环利用困难等缺点[4]，因此，当前已有吸附剂的各种不足驱使新型、高吸附量、高吸附效率、高循环使用率的吸附剂的探索和开发。

纳米材料因高比表面积、易改性和丰富的表面官能团，受到了重金属离子吸附领域的青睐。在重金属离子吸附领域，石墨烯、氧化石墨烯、三维石墨烯材料等研究层出不穷。碳纳米管(CNTs)的中空结构、高比表面积及独特的一维和芯吸效应使其具有优异的吸附性能[5]，在重金属离子吸附及循环利用中具有巨大的潜力，但与石墨烯一样，均存在吸附后难以回收的难题。与纳米粒子相比，连续的纳米纤维可实现吸附后材料直接高效回收，且因其比表面积(10～40 m2/g)较大、孔隙率(>80%)高、 良好的孔道连通、结构可调等优势，通过表面修饰活性基团，可将靶向污染物通过物理吸附、静电吸附或化学键合等手段有效捕获在内外层纤维表面，达到快速针对性吸附和运输[6-7]。碳纳米纤维(CNFs)为纳米级碳纤维集合体，较聚合物纳米纤维具备导电性优越、可驻极的特性[8]；而与普通碳纤维相比，CNFs比表面积更大，吸附性能优越，结构可设计性更强。CNFs的制备方法有多种，以化学气相沉积法(CVD) 和静电纺丝法最为常见[9]。2000年，Park等[10]首次将CVD法制备的CNFs应用于有机溶剂吸附。自此，针对CNFs吸附剂的制备、改性、结构设计、吸附性能调控的研究逐步受到国内外学者的广泛关注。

本文以CNFs的制备技术为主线，综述了CNFs在水污染物吸附领域的研究进展，分别探讨了基于不同理论基础的CNFs及其复合材料的结构设计原理，分析了高吸附性能CNFs吸附剂的结构优势，明确了当前CNFs吸附剂的主要缺陷及其存在的发展障碍，并提出了打破CNFs吸附剂发展瓶颈的主要思路，以期为高吸附性能、可循环利用的CNFs吸附剂的结构设计提供理论依据。

1 静电纺聚合物基CNFs

1.1 静电纺CNFs的制备及吸附机制

对静电纺聚合物纳米纤维进行预氧化和炭化是制备CNFs的重要手段，因其制备效率较高，CNFs力学和电学性能优异而获得了广泛的应用[11-13]。聚丙烯腈(PAN)是制备普通碳纤维和CNFs的重要前驱体，其聚合反应机制[11]如图1所示。Li等通过PAN基CNFs吸附污水中的环丙沙星认为，CNFs与有机污染物之间的作用机制主要有：范德华力、疏水作用、π-π作用、静电作用和氢键作用等[13]。因环丙沙星分子中含有平面环，与CNFs的吸附主要通过π-π 作用。Ibupoto等用PAN基CNFs吸附亚甲基蓝认为，CNFs中的芳香环和亚甲基蓝之间也是通过π-π 作用吸附，在60 min后达到吸附平衡，吸附量为72.46 mg/g[11]。除PAN外，Beck等还制备了一种静电纺木质素CNFs，其比表面积为583 m2/g，对污水中有机酸的吸附量是普通活性炭的10倍以上，吸附速率也是普通活性炭的2倍。值得一提的是，该CNFs的制备能耗仅为传统PAN基CNFs的87%[14]。

图1 PAN纳米纤维在热处理下的化学反应机制Fig.1 Chemical reaction mechanism of PAN nanofibers under thermal treatment

1.2 静电纺CNFs的表面功能化

普通CNFs虽具有一定的污染物吸附能力，但其表面惰性较强且比表面积有限，因此，对CNFs表面或内部结构进行改性是提高其污染物吸附能力的必要手段。Bai等分别利用强酸处理[15]和表面接枝苯磺酸[16]等方法来提高CNFs表面亲水性，尽管CNFs的比表面积和孔隙率有所下降，但其表面大量含氧官能团或亲水基团也显著提高了极性吸附活性位点的数量，因此，亲水处理显著提高了CNFs针对污水中丁酮或乙醇等极性溶剂的吸附量，但对非极性苯的吸附量则有所降低。对于表面含有大量含氧基团的CNFs，pH值影响着其表面的电荷分布，从而制约着活性官能团的数量。在一定范围内，随着pH值的增加，羧基等含氧官能团更易于分解，形成更多的吸附活性位点，从而提高吸附剂的吸附性能，因此，调整吸附溶液pH值对于提高CNFs的吸附性能具有至关重要的影响。Homaeigohar等通过调节静电纺PAN纳米纤维预氧化和炭化参数，并加入超声切割工艺，制备了一种柔性的无定形含氧碳/石墨(a-COx/G) 双亲性CNFs纸[17]。由于其表面含有大量的羰基或羟基等含氧基团，a-COx/G纳米纤维对阳离子染料等极性正电荷污染物具有极强的吸附性能；此外，由于石墨基体的存在，a-COx/G又通过π-π 作用力对一些非极性的有机物等产生良好的吸附效果。将a-COx/G制成过滤膜，其对极性阳离子染料和非极性油等均具有极高的截留作用，可将废水中的微/纳米污染物颗粒100%过滤。

1.3 静电纺CNFs内部引入纳米粒子

在CNFs内部引入功能性纳米粒子亦受到广泛的关注。本文课题组将CNTs混合加入PAN中，并经过预氧化和炭化制得了CNFs/CNTs复合纤维，对其酸化后研究了复合纤维对重金属离子Cr(Ⅵ)的吸附性能[18-20]发现，CNTs的混入将CNFs的比表面积从4.7 m2/g提升至37.6 m2/g，对Cr(Ⅵ)的吸附性能也有所提高。Peter等采用同样的方法制备了CNFs/CNTs吸附剂，通过调节原料配比和工艺参数得到孔径大小和分布完全不同的CNFs/CNTs材料，制得的CNFs/CNTs因其疏水性和特异性结合作用，对水中多种有机污染物具有良好的吸附效果[21]。

除CNTs外，多种金属化合物如Fe3O4[22-23]、TiO2[24]、MgO[25-26]、Al2O3[25-26]、ZrO2[27]等纳米粒子也被掺杂入CNFs内部以改善其吸附性。Fe3O4因具有磁性而在CNFs结构改性及其吸附后分离中具有较大的研究意义。以Si等的研究为例，CNFs/Fe3O4吸附剂比表面积达到了1 885 m2/g，孔隙率为2.325 cm3/g， 以亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(RhB)为目标污染物，CNFs/Fe3O4在10和15 min后就可分别将污染溶液中的MB和RhB完全吸附[22]。更重要的是，在吸附完成后通过施加外部磁场即可将CNFs/Fe3O4从吸附溶液中简便彻底地脱出，解决了当前纳米材料吸附后难以分离的困境[23,28]。Behnam等在CNFs中加入纳米Al2O3和MgO，在提高CNFs对二嗪农药吸附性能的同时，还将其降解为低毒性的物质[25]。Wu等以相同的方法将TiO2和非金属氧化物SiO2纳米粒子引入CNFs内部，得到了纳米粒子、微孔以及介孔等均匀密集分布的CNFs/SiO2/TiO2吸附剂，显著提高了CNFs对有机污染物的吸附能力，为后续在光催化领域的应用作了铺垫[24]。Luo等在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)基CNFs中引入ZrO2以吸附水中的Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)[27]， 该方法在四方形ZrO2表面构建了Sb—O 和O—Zr键，提高了CNFs的吸附量。

1.4 静电纺CNFs表面引入纳米粒子

上述研究表明，CNTs等纳米粒子的加入可改善CNFs的污染物吸附性能。然而，通过上述方法制备的纳米粒子大都被裹覆于CNFs内部，难以发挥其吸附活性位点丰富的优势，将纳米粒子沉浸或生长在CNFs的表面，对于提高CNFs整体吸附特性具有重要的意义。为此，本文课题组先制得了静电纺CNFs，并用等离子体辅助化学沉积(PECVD)法在CNFs表面垂直均匀地生长CNTs阵列，得到CNFs-CNTs复合纤维膜。图2示出CNFs-CNTs吸附剂制备流程图，图3示出不同PECVD生长时间下CNFs-CNTs 的表面形貌图[29-30]。CNFs-CNTs的比表面积达398.17 m2/g， 120 min后可吸附水溶液中98%的Cr(Ⅵ)，吸附量比共混纺丝方法提高了2倍。Asmaly等将Fe2O3浸渍在CNFs表面，其比表面积由40.7 m2/g提升至227.5 m2/g，而由于充分暴露的Fe2O3，纳米纤维对苯酚的吸附量也提高了4倍[31]。 然而，在纤维表面引入纳米材料虽能充分利用纳米材料的比表面积和吸附活性，但也面临着纳米材料易脱落，形成二次污染的问题。

图2 CNFs-CNTs制备和吸附流程图Fig.2 Synthesis of CNFs-CNTs and its adsorption process

图3 PECVD法生长不同时间的CNFs-CNTs形貌(×5 000)Fig.3 SEM images of CNFs-CNTs with various grown time by PECVD method(×5 000)

1.5 静电纺CNFs三维宏观体组装

除CNFs的表面功能化和内部结构调控外，将CNFs组装成三维宏观体也是提高CNFs吸附性能的研究热点。Guan等通过冰偏析诱导自组装法将CNFs组装成气凝胶，并将其应用于双水相体系中离子液体的吸附[32]。一方面CNFs气凝胶展现出了高效的离子液体吸附特性；另一方面，在吸附完成后，CNFs气凝胶表面含水量极低，在对CNFs气凝胶通电后，由于焦耳效应，其良好的导电性确保了CNFs在超高的离子液体浓度下同样具有快速吸附性能。将CNFs与CNTs或石墨烯等纳米材料协同组装成三维结构不仅可提高其单次吸附量，所构建的三维结构体优异的力学性能使其还具备了多次循环使用性能。Luo等以细菌纤维素为前驱体，利用原位生物层层组装法制得了石墨烯/CNFs三维气凝胶，并将其用于多种油和有机溶剂的吸附[33]；而Xu等以竹浆纤维为原料，通过浸渍和炭化工艺制备了CNFs/CNTs三维结构体[34]。CNFs与石墨烯或CNTs的协同作用增加了材料的比表面积和孔隙率，降低了体密度，再加上强疏水性，使吸附剂和目标污染物之间的作用被显著增强。此外，这些三维气凝胶中往往分布了大量的大孔径孔洞，为目标污染物的存储提供了足够的空间；而CNFs与石墨烯或者CNTs之间相互的抱缠又使气凝胶材料具有优异的压缩回弹性，因此，其对多种油和有机溶剂显现出超高的吸附量和循环利用性能。

2 CVD法制备CNFs

2.1 CVD法制备CNFs的吸附机制

CVD法是一种以金属(如铁、钴、镍等)或其化合物为催化剂，在700～1 200 ℃高温下裂解气体碳源(如甲烷、乙烯、乙炔等)，并在基底表面逐渐生长CNFs的方法。CVD法制备的CNFs内部石墨烯排列结构广泛认为有2种：一是石墨烯片垂直于纤维轴向平行排列，层间距为0.34 nm；二是石墨烯片相对于纤维轴向成杯状或人字行平行排列[10,35]。Park等通过CVD法制备了具有选择吸附功能的CNFs，CNFs由石墨烯片相对于纤维轴向以平行或人字形等多个方向堆叠而成，搭建了无数可螯合有机溶剂分子的细小孔洞[10]。相较于人字形排列微结构，平行排列的CNFs具有更好的有机污染物选择吸附性。这是由于石墨烯片平行排列构成了具有弱极性边缘的疏水纳米孔洞，组装成一种对于非极性物质具有极强亲和力的胶束结构，从而对于水溶液中有机小分子展现出极好的选择吸附性。而在Takahashi等的研究中，由于目标污染物氨是一种极性分子，人字行排列的CNFs对水溶液中的氨具有更好的吸附特性[35]，在对CNFs进行功能化后，含氧官能团中的O与氨中的H形成了一对一的NH—O作用，更进一步提高了氨吸附量。

2.2 CVD法制备碳-CNFs复合吸附剂

鉴于碳材料优异的吸附特性，国内外众多学者利用CVD技术在碳材料(如活性炭、微米碳纤维等)表面生长CNFs[36-37]，以构建双重或多重碳材料吸附体系，取得了良好的效果[38-39]。Gupta等以Fe为催化剂在碳纤维表面生长CNFs，构建了微/纳米双尺度碳纤维吸附剂，其表面积达1 180 m2/g，对As(Ⅴ)最大吸附量达14 mg/g[40]；将CNFs顶端的Fe剥落，暴露了更多的吸附活性位点，可显著提高多尺度碳纤维的吸附量。Chakraborty等在活性碳纤维表面生长CNFs，并采用氨水对其表面功能化，研究了其对污水中Pb(Ⅱ)和苯酚的吸附性能[41]。在生长CNFs后，由于催化剂的沉积堵塞了纤维表面部分孔洞以及CNFs分布欠均匀，其比表面积反而从1 375 m2/g下降至970 m2/g。因Pb(Ⅱ)的离子半径仅为0.119 nm，可渗入碳纤维/CNFs的微孔和介孔中，而CNFs中含有负电荷π电子云，因此，在比表面积下降的情况下，CNFs对Pb(Ⅱ)的吸附性能增加了4倍。在使用氨水功能化后，对Pb(Ⅱ)的吸附性能进一步提高了30%。然而，苯酚分子间通过氢键连接，其分子大小为0.67 nm×0.15 nm×0.80 nm， 无法渗入石墨片层间，仅可通过活性碳纤维表面的微孔吸附，因此在生长CNFs后，对苯酚的吸附量有所降低。 Mamum等以Ni为催化剂在活性炭表面生长了CNFs，并同样将其用于Pb(Ⅱ)吸附[42-43]。研究表明，当pH值为5.5时获得了最大的吸附量，其吸附等温曲线符合Langmuir等温方程，而吸附过程符合伪二阶速率动力学方程。Modi等通过CVD法制备了N元素掺杂的活性炭-CNFs，由于N中的孤对电子可和金属污染物间形成配位共价键，该CNFs对Cd和Pb展现了极好的吸附性[44]。

2.3 CVD法制备其他CNFs复合吸附剂

除碳材料基底外，Faghihian等通过CVD法在高岭土表面生长了CNFs，并用硫酸和硝酸混合物引入含氧官能团，提高其对Pb(Ⅱ)的吸附性能[45]。静电吸附、吸附沉淀和化学键合是主要的3种吸附机制，而含氧官能团与污染物的作用又以化学键合最为常见。吸附时间、污染物初始浓度、pH值、吸附温度等对CNFs的吸附量有着显著的影响。Purceno等以Fe为催化剂在硅酸盐碎片表面生长了CNFs/CNTs，使其具有双亲性，在确保其在污水中稳定分散的前提下，用于吸附炔雌醇等疏水性的污染物[46]。

3 模板法CNFs制备及其吸附性能

Liang等以碲纳米线为模板，通过水热炭化法制备CNFs，并铸造成CNFs薄膜，用来吸附和过滤有机污染物亚甲基蓝、阳离子污染物Pb(Ⅱ)和阴离子污染物Cr(Ⅵ)[47]。CNFs表面含有大量的—OH和—COOH，通过适当提高pH值至6～7可使其脱氢而持负电荷，提高CNFs的Zeta电位，增强CNFs对亚甲基蓝和Pb(Ⅱ)等污染物的静电吸附。 CNFs对Cr(Ⅵ)的吸附增强作用，是由于CNFs表面的还原性基团会将Cr(Ⅵ)部分还原成为正电荷，从而通过离子交换或静电吸附Cr(Ⅲ)；未还原的Cr(Ⅵ)则通过表面络合作用吸附于CNFs的表面，但随着pH值逐步升高(2～7)，其络合作用越来越弱。Wang等通过模板法对葡萄糖水溶液进行反复炭化、清洗和干燥得到了具有多孔结构的CNFs[9]，其比表面积为973.4 m2/g，远大于传统的CNFs。通过间歇平衡模式评估其对有机染料亚甲基蓝的吸附特性发现，最大吸附量为405.3 mg/g，吸附过程符合伪二阶动力学模型。Hsieh等对由模板法与其他方法制备的CNFs的吸附性能进行对比发现，合成方法不同导致纤维表面或内部孔径尺寸分布也完全不相同[48]。

将模板法CNFs用于CCl4吸附时发现：单层吸附为主要吸附机制，随着CNFs比表面积的增加，对CCl4的吸附量并未有明显的变化；而微孔比例越多，CNFs所展现出来的吸附性能越高，因此，针对CCl4分子，CNFs中的微米级孔洞为主要的吸附活性位点。

4 环保法制备CNFs及其吸附性能

由于静电纺丝或CVD法制备CNFs均面临着环境污染、耗时冗长等不足，开发绿色环保、快捷高效的制备方法成为研究热点。Ye等通过对细菌纤维素膜进行高温处理后直接制得了含有丰富—OH和—COOH的CNFs[49]。将其用于吸附Sr(Ⅱ)，当pH值为4.5时，其吸附量最大为58.72 mg/g。通过表面络合模拟，验证了CNFs对Sr(Ⅱ)的吸附机制为内球面络合作用。Hu等通过细菌衍生法制备得到CNFs，并研究了其对污水中Co(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附特性[50]。研究表明，随着pH值的增大，吸附量不断增加，而污染物溶液的初始浓度对吸附量的影响极小。相对于其他模型，Langmuir模型更适合描述该CNFs对污染物的吸附过程。除生物法外，文献[51-52]还通过微波辅助水热法快速制备了CNFs，并分别研究了其对污水中Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)以及甲基苯丙胺等污染物的吸附性能。Chen也通过水热法制备了CNFs/石墨烯/MnO杂化纤维[53]，验证了适量的石墨烯可提供丰富的吸附活性位点，增强导电性，利于其对水中金属离子的吸附。这些新的研究方法均为CNFs吸附剂的制备和结构设计提供了广泛的基础，具有极大的借鉴意义。

5 CNFs吸附剂制备方法和性能对比

表1示出已发表的部分文献中制备的CNFs对不同污染物的吸附性能。较静电纺丝法CNFs，CVD法和模板法CNFs的吸附性能具有优势，但由于受pH值、污染物初始质量浓度、温度等因素的影响，部分文献结果有所出入。

通过对各种CNFs制备方法和吸附性能进行比较发现：静电纺CNFs在静电纺丝技术高速革新下具有产业化前景，可作为吸附载体独立使用，且吸附后易于回收、脱附及重复利用；而其比表面积小、吸附量低且制备需有机溶剂，对环境具有负面作用。采用CVD法制得的CNFs微结构与CNTs类似，一般作为吸附增强体使用，具有比表面积大、吸附量高的特点；但制备过程耗时耗能，单独使用难以回收，极易产生二次污染等是其致命的缺陷。采用模板法等其他方法制备的CNFs因绿色环保、性能优越获得了一定关注，然而对其研究仍处于初始阶段，实验过程难以调控、结构不稳定、制备效率低等为亟待解决的瓶颈问题。

6 CNFs吸附剂的应用拓展

鉴于CNFs优良的吸附特性及超高的导电性，国内外诸多学者尝试将CNFs及其复合材料应用于电除盐领域，取得了显著的效果[57]。Wang等[58]和Pan等[59-60]分别利用CVD法制备了CNFs/CNTs电除盐电极。CNFs和CNTs交错搭建了连续稳定的导电网络结构，并形成了均匀的介孔分布格局，降低了电双层重叠效应，分别提高了对NaCl和FeCl3的吸附效果。对吸附过程进行模拟发现，针对NaCl的吸附符合物理吸附驱动的一阶动力学模型。Zhan等在活性碳纤维(ACF)表面生长CNFs，与普通的活性碳纤维相比具有缺陷少、比电容高、亲水性好以及介孔丰富等优点[61]。活性碳纤维/CNFs复合纤维对NaCl的吸附性能提高了55%，吸附1 h后能除去溶液中80%的NaCl。对其循环吸附性能进行测试发现，ACF/CNFs在30 min的短路脱附后能脱附90%的NaCl，并在30次充放电后吸附量未明显降低。这种快速吸附-脱附及高循环率使ACF/CNFs在实际应用中成为可能。Dong[8,62]和Liu等[63]分别设计了CNFs/石墨烯和CNFs/CNTs复合电极，石墨烯或CNTs的引入增加了电极的导电性，扩大了介孔的分布，从而提高了CNFs的电除盐性能。Liu等还分别通过传统静电纺丝法和细菌纤维素法构建了静电纺CNFs增强的3D多孔碳多面体网络用于电除盐[64]，这种多孔结构为溶液及其中离子的渗透提供了众多通道，增加了双层电容，显著提高了电除盐效率。

表1 已发表的部分文献中CNFs对污染物吸附量对比Tab.1 Comparison on adsorption properties of CNTs in several literatures

Chen等利用CNFs吸附特性，将CNFs作为电感耦合等离子体质谱中预浓缩和测定Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅶ) 的固相萃取吸附剂[65]。通过优化测定条件发现，当富集因子为50时，其对Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ) 的测定极限分别是0.04和0.048 ng/mL，且相对标准差低于6%。除此之外，Yan等还将CNFs作为预浓缩、分离和检测Pb、Cd和稀土元素的固相萃取吸附剂，并同样获得了优异的效果[66]。综上分析，利用CNFs在痕量或超痕量测定生物或环境水样品中不同价态Mn、Pb、Cd等金属或稀土元素的含量中具有广阔的应用前景。

7 结束语

本文以碳纳米纤维(CNFs)吸附剂制备为主线，分别探讨了静电纺丝法、化学沉积(CVD)法和模板法等制备CNFs的吸附机制，分析了CNFs改性及结构设计、调控的主要方法和原理，对比了当前部分研究中CNFs的吸附性能。基于已做研究和文献调研发现，CNFs吸附剂面临着如下瓶颈问题。 1)低成本产业化制备。单针头静电纺速率为0.1～1 mL/h，多针头或球形静电纺丝等工艺尚不稳定，且在纺丝完成后需经过2～3 d的预氧化和高温炭化过程；而CVD法受生长温度(800 ℃ 以上)、气体、设备成本、生长腔体大小(1台价值300万元的CVD设备腔体直径仅为5 cm左右)等因素的限制，面临着成本高、工艺复杂、效率低下的问题。 2)CNFs的循环使用。CVD法制备的CNFs粉末吸附后需经再过滤、透析或离心等方式分离，应用效率低；静电纺CNFs虽以薄膜的宏观形式存在，但韧性极差，脱附过程中极易碎裂而无法多次利用。3)CNFs的广泛吸附性。水体污染物种类繁多复杂，主要为重金属、无机有毒化合物、有毒有机物、营养物质4类，物理化学性质各不相同，当前CNFs吸附剂的研究大都局限于某一种或几种特质相似污染物。

针对CNFs吸附剂研究中存在的一些问题，从以下方面突破对于CNFs的实际应用具有一定的积极意义。1)双亲性CNFs的结构设计。为吸附不同极性污染物，设计兼具亲水性和亲油性的CNFs是推动其实际产业中应用的关键步骤。2)CNFs的力学性能增强。提高力学性能是实现CNFs多次重复利用的关键要素。CNFs力学性能较普通碳纤维有很大差距，与其理论值更是相距甚远。对于具有宏观结构的静电纺CNFs膜，其原因为纺丝过程中PAN的分子取向度极低。提高PAN分子原料的取向度或改善静电纺丝工艺提高PAN分子取向是提高CNFs力学性能的重要途径。3)驻极辅助吸附。CNFs优异的导电性往往被忽视，而空气过滤材料中通常采用驻极方法提高过滤器吸附和过滤性能，而对CNFs驻极同样有望提高其对水中重金属离子及其他污染物的吸附性能。4)CNFs吸附剂的应用拓展。除电除盐、离子测定等领域应用外，CNFs吸附剂还可在电化学、新能源材料等领域拓展应用。以其在电化学领域应用为例，CNFs既可作用锂离子电池负极提高其比容量，也可作为锂硫电池的正极和中间层，分别提高其载硫量，加强对锂硫化物的吸附，提高电池比容量和循环寿命。

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