碳纖維作為一種高性能材料，在航空航天、汽車、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其高昂的生產(chǎn)成本和環(huán)境影響嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，尤其是在對成本敏感的普通汽車工業(yè)中。傳統(tǒng)的碳纖維生產(chǎn)主要依賴于聚丙烯腈（PAN）前驅(qū)體，其高昂的原料價格和制造過程中漫長的熱穩(wěn)定化與碳化處理時間導(dǎo)致了巨大的能源消耗和二氧化碳排放。為了降低成本并提高可持續(xù)性，研究者們嘗試在PAN基體中引入低成本、可再生的填料，如木質(zhì)素或炭黑（CB）。然而，這些未經(jīng)化學(xué)鍵合的填料在碳化后往往成為材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致碳纖維的力學(xué)性能（如拉伸強(qiáng)度和模量）急劇下降，無法滿足美國能源部設(shè)定的低成本碳纖維性能基準(zhǔn)。因此，該領(lǐng)域長期缺乏一種能夠在不犧牲結(jié)構(gòu)完整性的前提下，實(shí)現(xiàn)高比例填料有效整合的協(xié)同加工技術(shù)。

針對以上難題，耶魯大學(xué)胡良兵教授聯(lián)合約翰霍普金斯大學(xué)王超教授、佐治亞理工學(xué)院Satish Kumar等研究者在Nature Sustainability上發(fā)表了題為“Methane pyrolysis-enabled production of high-value carbon fibres”的論文，提出并驗(yàn)證了一種名為“電驅(qū)動碳纖維升級（ECU）”的創(chuàng)新策略，旨在利用來源廣泛且低成本的甲烷（CH?）來制造高性能、低成本和低碳足跡的碳纖維。該ECU工藝首先通過干噴濕法紡絲制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的炭黑/聚丙烯腈（CB/PAN）復(fù)合前驅(qū)體纖維，隨后將這些多孔纖維作為焦耳熱元件，在甲烷氣氛中進(jìn)行高溫（約1700 K）通電處理。

在此過程中，甲烷在多孔纖維內(nèi)部發(fā)生熱解，沉積的碳填充了纖維孔隙，實(shí)現(xiàn)了致密化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過此方法制備的碳纖維中，甲烷衍生碳含量可高達(dá)50 wt%，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.7 GPa，模量可達(dá)173 GPa，電導(dǎo)率可達(dá)8.5 × 10? S m?1。

綜合成本與生命周期分析表明，與傳統(tǒng)的純PAN基碳纖維相比，ECU工藝可將生產(chǎn)成本大幅削減至約13.52美元/千克，并將碳足跡降低至22.39 kgCO?/kgCF。此外，該技術(shù)還能顯著縮短碳/碳復(fù)合材料的制備周期并提升其力學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)碳纖維在汽車等大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)可行性與環(huán)境可持續(xù)性提供了全新的技術(shù)路徑。

圖文導(dǎo)讀

圖1 通過甲烷熱解的ECU工藝

圖 1展示了ECU策略的核心概念與所用多孔碳纖維前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖1a通過示意圖闡明了ECU工藝的基本原理：該過程以具有多孔結(jié)構(gòu)的碳纖維作為焦耳熱元件，在甲烷（CH?）氣氛中進(jìn)行高溫通電處理，從而促進(jìn)甲烷熱解并在纖維孔隙內(nèi)部和表面沉積碳，實(shí)現(xiàn)對纖維的致密化和性能升級，同時副產(chǎn)氫氣。圖1b則展示了為驗(yàn)證該概念而設(shè)計和合成的炭黑/聚丙烯腈（CB/PAN）基多孔碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。該纖維由定向排列的PAN衍生碳原纖維網(wǎng)絡(luò)以及嵌入其中的炭黑顆粒共同構(gòu)成。這種獨(dú)特的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是ECU工藝成功的關(guān)鍵，因?yàn)樗粌H為甲烷氣體向纖維內(nèi)部的充分?jǐn)U散提供了通道，同時也為后續(xù)熱解碳的沉積和整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化提供了堅(jiān)固的骨架，從而確保了升級過程的均勻性和有效性。

圖2 用于ECU工藝的多孔炭黑/聚丙烯腈前驅(qū)體纖維的制備過程

圖 2詳細(xì)展示了用于ECU工藝的多孔炭黑/聚丙烯腈前驅(qū)體纖維的制備過程及其微觀形貌。作者首先通過常規(guī)甲烷熱解制備了炭黑（圖2a），然后將其與聚丙烯腈溶液按不同比例混合，制備出均勻分散的紡絲原液（圖2b）。接著，采用干噴濕法紡絲技術(shù)，將原液經(jīng)過噴絲板擠出、空氣層和凝固浴后，在高溫甘油浴中進(jìn)行牽伸，最終制得連續(xù)的CB/PAN前驅(qū)體纖維（圖2c,d）。掃描電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡圖像（圖2e）揭示了該前驅(qū)體纖維的獨(dú)特內(nèi)部結(jié)構(gòu)：聚丙烯腈形成了定向排列的細(xì)小原纖維（直徑約300納米），而炭黑顆粒則嵌入在這些原纖維之間。經(jīng)過爐內(nèi)穩(wěn)定化和碳化處理后，所得的CB/PAN碳纖維呈現(xiàn)出由定向碳原纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)（圖2f,g）。作者發(fā)現(xiàn)，較低的炭黑負(fù)載量會導(dǎo)致纖維直徑減小和孔隙率降低，例如60%炭黑含量的纖維直徑為23.9 μm，孔隙率為27.9%，而20%炭黑含量的纖維直徑則為12.1 μm，孔隙率為17.8%。這種可控的多孔結(jié)構(gòu)為后續(xù)ECU工藝中的氣體擴(kuò)散和碳沉積提供了理想平臺，同時該纖維保持了良好的柔韌性，適用于連續(xù)化加工處理。

圖3 ECU工藝的三步法流程以及處理后碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖 3系統(tǒng)展示了ECU工藝的三步法流程以及處理后碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)演變。ECU工藝的核心是通過調(diào)節(jié)施加的電流來控制焦耳熱溫度，從而精確調(diào)控反應(yīng)過程（圖3a）。如圖3b所示，該工藝包含三個關(guān)鍵步驟：第一步，在氬氣氣氛中將纖維加熱至約2100 K并保持2分鐘，以誘導(dǎo)PAN衍生碳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；第二步，將溫度降至約1700 K并切換至甲烷氣氛，進(jìn)行10分鐘的熱解碳沉積，以填充纖維孔隙；第三步，再次在氬氣中升溫至2100 K處理2分鐘，以促進(jìn)新沉積甲烷碳的結(jié)構(gòu)完善。通過掃描電子顯微鏡對不同沉積時間纖維表面形貌的觀察（圖3c），可以清晰地看到多孔結(jié)構(gòu)被熱解碳逐漸填充、最終形成致密表面的動態(tài)過程。經(jīng)過完整三步法處理后的60-CB/40-PAN碳纖維，其表面和截面形貌（圖3d-f）均顯示出高度致密的結(jié)構(gòu)，孔隙率從處理前的27.9%大幅降至6.1%。高分辨率透射電子顯微鏡圖像和電子能量損失譜分析（圖3g-i）進(jìn)一步證實(shí)，升級后纖維的表面和核心均由富含sp2雜化鍵的石墨化碳組成，表明ECU工藝成功地實(shí)現(xiàn)了纖維的致密化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 升級后CB/PAN碳纖維的性能以及規(guī)?；a(chǎn)方案示意圖

圖 4綜合評估了升級后CB/PAN碳纖維的性能提升、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，并提出了規(guī)?；a(chǎn)的方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，ECU工藝顯著提升了碳纖維的性能：以60-CB/40-PAN樣品為例，其電導(dǎo)率提高了約125倍，達(dá)到8.0 × 10? S m?1（圖 4a），與商用T300等纖維水平相當(dāng)（圖 4b）；拉伸強(qiáng)度提高了8倍，達(dá)到479 MPa（圖 4c）。優(yōu)化后的20-CB/80-PAN碳纖維在ECU過程中施加張力，其拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)1.7 GPa，模量最高可達(dá)173 GPa（圖 4d），其綜合力學(xué)性能超越了其他文獻(xiàn)報道的低成本碳纖維，并接近美國能源部設(shè)定的低成本碳纖維目標(biāo)（圖 4e）。成分分析表明，升級后的20-CB/80-PAN碳纖維中約含49%的PAN衍生碳和51%的甲烷衍生碳（包括24%炭黑和27%熱解沉積碳）（圖 4f）。經(jīng)濟(jì)分析顯示，其生產(chǎn)成本約為13.52美元/千克，低于商業(yè)T300碳纖維和美國能源部的目標(biāo)成本（圖 4g）。生命周期評估則表明，由于減少了PAN用量和能源消耗，該纖維的碳足跡顯著低于傳統(tǒng)PAN基纖維和木質(zhì)素基纖維（圖 4h）。最后，圖 4i 展示了一種可集成到現(xiàn)有產(chǎn)線的連續(xù)化卷對卷ECU升級系統(tǒng)設(shè)計方案，為技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。

圖5 ECU技術(shù)快速制備碳/碳復(fù)合材料

圖 5 展示了ECU技術(shù)在快速制備碳/碳復(fù)合材料方面的拓展應(yīng)用。除了升級單根纖維，ECU工藝中原位高溫分解甲烷生成碳的特性還可用于將碳纖維束原位粘合，從而高效制備碳纖維增強(qiáng)碳/碳復(fù)合材料（圖 5a）。作為概念驗(yàn)證，作者分別使用升級后的20-CB/80-PAN碳纖維和商用T300碳纖維，通過ECU方法制備了碳/碳復(fù)合材料。力學(xué)測試結(jié)果表明，基于升級CB/PAN纖維的碳/碳復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到了0.40 GPa（圖 5b），與采用傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積方法在1373 K下耗時10小時制備的T300基碳/碳復(fù)合材料（約0.38 GPa）性能相當(dāng)。而基于T300纖維通過ECU法制備的碳/碳復(fù)合材料則表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度，達(dá)到0.68 GPa（圖 5b），這超過了文獻(xiàn)中報道的無粘結(jié)劑或添加昂貴碳納米管粘結(jié)劑的碳/碳復(fù)合材料性能。掃描電子顯微鏡圖像顯示，所制備的復(fù)合材料截面結(jié)構(gòu)致密，纖維間被熱解碳緊密填充（圖 5c,d）。最重要的是，ECU工藝僅需約40分鐘即可完成碳/碳復(fù)合材料的制備，相比傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積方法（超過10小時）大幅縮短了加工時間（圖 5e），體現(xiàn)了顯著的過程強(qiáng)化優(yōu)勢。

結(jié)論展望

該研究的結(jié)論指出，傳統(tǒng)的甲烷熱解工藝主要生成低價值的炭黑，經(jīng)濟(jì)可行性和可持續(xù)性受限。而該工作提出的ECU策略提供了一種無需催化劑、由電力驅(qū)動的全新路徑，可將溫室氣體甲烷直接轉(zhuǎn)化為高價值的結(jié)構(gòu)碳纖維，并同時聯(lián)產(chǎn)綠色氫氣。盡管ECU法制備的碳纖維在絕對力學(xué)性能上尚未超越頂級PAN基碳纖維，但其顯著降低的生產(chǎn)成本和全生命周期碳足跡為其帶來了變革性的價值定位。這些特性使其特別適用于對成本高度敏感的大規(guī)模應(yīng)用市場，尤其是普通汽車制造業(yè)。

此外，當(dāng)該工藝使用可再生電力和生物甲烷作為能源與原料時，有望實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，將甲烷以固體碳的形式進(jìn)行封存。ECU平臺不僅能夠升級低品位前驅(qū)體纖維，還為將豐富的碳源轉(zhuǎn)化為包括高性能碳/碳復(fù)合材料在內(nèi)的多種高附加值材料提供了一個通用模板。最終，該研究表明，將先進(jìn)材料合成與清潔能源聯(lián)產(chǎn)相結(jié)合，可以在工業(yè)制造與全球氣候變化減緩之間建立可持續(xù)的聯(lián)系。

文獻(xiàn)信息

Li, T., Wang, C., Wood, C.A. et al. Methane pyrolysis-enabled production of high-value carbon fibres. Nat Sustain (2026). https://doi.org/10.1038/s41893-026-01815-w

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