輕質、高強度碳纖維復合材料在航空航天等領域有廣泛的應用，其中，在碳纖維表面嫁接碳納米管獲得多級結構是增強與有機物基體的界面作用及復合材料力學性能的有效手段，然而，目前人們只能在碳纖維表面吸附或生長一薄層碳納米管（通常小于100微米），無法充分發揮這種多級結構的優勢。項目在直徑為7微米的單根碳纖維表面直接生長宏觀厚度（1-10毫米）的海綿，在海綿的底部有一個過渡層（碳納米管被非晶碳包覆）能夠增強界面作用，使得拉伸測試時碳纖維從環氧基體中的滑脫被完全抑制，有利于改進碳纖維復合材料的界面特性從而提高力學性能。更重要的是，傳統的纖維材料、碳納米管或石墨烯紡絲都比較密實，而海綿具有三維多孔結構，可以負載不同的活性物質制備功能器件，開發更多的應用。例如，碳纖維 - 碳納米管海綿-PPy 和碳纖維 -碳納米管海綿-MnO2復合結構可用作超級電容器和鋰離子電池的纖維型電極材料（Adv.Mater. 2018）。此外，課題組還通過將海綿內的多壁碳納米管原位剖開的方法制備了石墨烯納米帶氣凝膠，具有良好的超級電容器性能（Adv.Mater.2014,26,3241）。

碳納米管海綿及其復合材料的制備與能源應用

北京大學工學院課題組探索了碳納米管海綿在能源領域的新應用，取得了一些重要的進展和成果。具體如下：

（1）通過在碳納米管海綿內部均勻可控負載多種有機、無機活性物質，制備了高性能三維多孔電極材料，應用于超級電容器、鋰離子電池等能量存儲器件。以碳納米管海綿為多孔模板和載體，通過原位生長或后處理方法引入贗電容有機物、氧化物、鈣鈦礦、介孔硅 /碳、二維材料、金屬有機框架（MOF）等多種活性物質，獲得了一系列均勻負載、結構可控的三維多孔復合材料，并用作超級電容器、鋰離子電池等能量存儲器件的電極。其中，三維互連的高導電碳納米管網絡作為電子傳輸的快速通道，其上負載的有機或無機活性物質提供大量、均勻分布的納米級活性位點，同時，海綿內部連通的大孔和介孔成為電解液浸潤和離子傳輸的多級孔道。這些結構特點有利于電子和離子的高效傳輸及鋰離子脫嵌等電化學反應。例如， 項目研究了可在高度壓縮條件下工作的自支撐的碳納米管 -贗電容有機物（PPy,PANI等）復合海綿超級電容器電極（ACSAppliedMater.&Inter.2014,6,5228），并采用雙層有機物核殼結構顯著提高了其循環穩定性（Nanoscale2016,8,626）。開發了具有同軸納米管結構的 CNT-MoS2及雜化 CNT-Nb2O5, CNT-Co3O4, CNT-meso-SiO2, CNT-LaSrMnO4,CNT-MOF等新型三維多孔鋰離子電池或鋰空氣電極， 獲得了良好的比容量和循環穩定性。（2）制備了新型碳纖維 - 碳納米管海綿多級雜化結構，在功能復合材料、纖維型能源器件領域有廣闊的應用前景。