上海理工大学AM：新型多孔有机聚合物复合纤维材料引领多功能应用新浪潮

多孔有机聚合物（POPs）因其高比表面积、可调控的孔结构和多样化的化学功能而在众多先进应用领域展现出巨大潜力。然而，传统的粉末形态限制了其加工性、结构整合和实际部署。电纺丝作为一种可扩展且通用的非织造纤维制备技术，能够将POPs集成到纤维基质中，从而克服这些局限，并创造出新型材料结构。这一整合不仅保留了POPs的固有优势，还赋予材料更强的机械完整性、可定制的表面性质以及改善的传质特性，为催化、环境修复、传感和生物医学等领域的应用开辟了新途径。

上海理工大学余灯广教授、李贵生教授和东华大学廖耀祖教授、韩国科学技术院Il-Doo Kim教授合作系统回顾了利用电纺丝技术制备多孔有机聚合物复合纤维材料（POP-FMs）的最新进展与前景。文章重点讨论了与电纺丝兼容的POPs设计与合成策略、POP-FM复合材料的制备方法，以及其结构-性能关系，并深入探讨了该领域面临的关键挑战与未来发展方向，强调了POP-FMs作为下一代功能材料的巨大潜力。相关论文以“ Advances and Prospects in Multifunctional Composite Fibrous Materials Utilizing Porous Organic Polymers”为题，发表在

Advanced Materials

随着研究的深入，POPs的分类与电纺丝技术的发展脉络逐渐清晰。图1a展示了代表性POPs的演变历程，包括超交联聚合物（HCPs）、本征微孔聚合物（PIMs）、共价有机框架（COFs）、共轭微孔聚合物（CMPs）和多孔芳香骨架（PAFs），同时回顾了电纺丝技术自1938年诞生以来的重要里程碑，如1980年代Donaldson公司将其用于空气过滤器。图1b则聚焦于POP-FMs的发展史，记录了各类POPs首次通过电纺丝成功制备的关键节点，例如2017年Wu等人首次实现电纺HCP纤维，2015年Scherf团队将CMP用于柔性化学传感器等，彰显了该领域的技术积累与创新突破。

图1 a) 代表性多孔有机聚合物（POPs）的演变和电纺丝历史发展的概述。 b) 多孔有机聚合物-纤维材料（POP-FMs）的发展历史。

POP-FMs的制备涉及从分子尺度反应到宏观成型的多级组装过程。图2生动阐释了这一点：通过分子尺度反应构建POPs框架，再经过纳米到微米尺度的化学组装，最终借助电纺丝等技术实现宏观或块状成型，形成具有特定形态和功能的复合纤维材料。这种多尺度控制能力为材料性能的精准调控奠定了基础。

图2 通过分子尺度反应、纳米到微米尺度的化学组装以及通过电纺丝进行的宏观/块体成型，用于制备代表性POP-FMs的示意图。

电纺丝技术与POPs的结合赋予了复合材料一系列卓越特性。图3突出展示了POP-FMs的轻质多孔特性、可调控的功能性、高稳定性以及分级孔结构（包括大孔、介孔和微孔）。这些特性使其在扩散传质、活性位点暴露和稳定性方面表现优异，非常适合催化、吸附、能源和生物医学等应用。

图3 结合电纺丝技术的POP-FMs特性示意图，突出了基于纳米纤维的多功能性、轻质性、基于POPs的功能性、稳定性、扩散性以及POP-FMs的分级孔隙率。

在制备方法上，研究者们开发了多种基于电纺丝的策略。图4详细列举了直接电纺、混合后电纺、在电纺纤维上直接生长、脱纤自形成多孔材料纤维、电纺辅助合成自形成POPs纤维以及其他物理方法（如喷涂、电喷雾）等。这些方法各具特色，例如直接溶解法适用于可溶的PIMs；混合电纺可实现POPs颗粒在纤维中的均匀分散；直接生长法则能有效增加纤维表面POPs的数量和可及性；而以牺牲模板法制备的自支撑多孔膜则展现出高比表面积和良好机械稳定性。

图4 基于电纺丝的复合物形成方法。 a) 直接电纺与溶液可加工性。 b) 将分散在有机溶剂中的POPs与其他物质混合后进行电纺。 c) 种子层在电纺纤维上由内向外生长。 d) 电纺纤维作为牺牲模板，去除后留下表面多孔材料自形成纤维。 e) 在预交联结构单元上进行超交联。 f) 电纺纤维碳化后处理。

电纺丝技术的先进性进一步体现在其对复合材料结构的精细设计上。图5a示意图展示了电纺丝技术用于制备纳米纤维状POPs基复合材料的三种主要途径：POPs与聚合物复合、POPs在MOF基纳米纤维中的应用，以及POPs功能化催化基团。图5b则指出了未来电纺丝技术的发展方向，包括定向电纺、双电纺和纱线电纺，这些方法有望实现对纤维排列、直径和复合层级的精确控制，从而拓展POP-FMs在各领域的应用潜力。

图5 a) 使用电纺丝技术的纳米纤维状POPs基复合材料示意图。 b) POP-FMs的优势以及新兴电纺丝技术（如定向电纺、双电纺和纱线电纺）的未来方向。

这些独特的纤维形态正推动着POP-FMs在多个前沿领域的创新应用。图6展示了其在生物医学、能源、催化、环境和传感等方面的广泛应用场景。例如，在生物医学领域（图6a），载药的POP-FMs纤维膜能实现药物的pH智能响应释放，有效促进伤口愈合；在能源领域（图6b），基于COFs的分级多孔隔膜可优化锂离子传输，提升锂电池的快充性能和热稳定性；在环境领域（图6d），将微孔聚酰亚胺与MOFs结合的电纺纤维膜能高效捕获挥发性有机物，净化空气；在传感领域（图6e），手性COFs与PVDF复合的纤维膜可实现对手性蒸汽的对映选择性传感。

图6 POP-FMs的创新应用。 a) 生物医学应用（如伤口敷料）。 b) 能源应用（如智能电池隔膜）。 c) 多相催化应用（如压电光催化剂）。 d) 环境应用（如捕获挥发性有机化合物的空气过滤）。 e) 传感器应用（如对映选择性传感）。 f) 其他应用（如分子分离、样品预处理）。

展望未来，尽管POP-FMs发展迅速，但仍面临制备工艺规模化、刺激响应功能开发、多功能集成等挑战。图7a通过VOSviewer软件的可视化分析，清晰呈现了当前POPs与电纺丝结合的研究热点，主要集中在环境处理、生物医学、催化和能源等领域。未来，通过与其他材料成型技术（如3D打印、电喷雾）结合、协同匹配多种聚合方法、开发流线型工艺、增强刺激响应特性、实现多功能集成以及引入人工智能辅助数据分析等策略（图7b, c），POP-FMs有望在智能过滤、多用途生物医学工程、高效能源存储与转换、软致动器等关键领域发挥更大作用，实现从实验室创新到实际应用的跨越。

图7 a) 使用VOSviewer软件生成的POP-FMs可视化分析图，突出了与POPs和电纺丝相关的关键热点。 b) 制备模型示意图。 c) 特别是制备挑战的发展和潜在应用。

来源：高分子科学前沿

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