碳纖維作為一種高性能材料，在航空航天、汽車、能源等領域具有廣闊的應用前景，但其高昂的生產成本和環境影響嚴重制約了其大規模商業化應用，尤其是在對成本敏感的普通汽車工業中。傳統的碳纖維生產主要依賴于聚丙烯腈（PAN）前驅體，其高昂的原料價格和制造過程中漫長的熱穩定化與碳化處理時間導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，如木質素或炭黑（CB）。然而，這些未經化學鍵合的填料在碳化后往往成為材料內部的結構缺陷，導致碳纖維的力學性能（如拉伸強度和模量）急劇下降，無法滿足美國能源部設定的低成本碳纖維性能基準。因此，該領域長期缺乏一種能夠在不犧牲結構完整性的前提下，實現高比例填料有效整合的協同加工技術。

針對以上難題，耶魯大學胡良兵教授聯合約翰霍普金斯大學王超教授、佐治亞理工學院Satish Kumar等研究者在Nature Sustainability上發表了題為“Methane pyrolysis-enabled production of high-value carbon fibres”的論文，提出并驗證了一種名為“電驅動碳纖維升級（ECU）”的創新策略，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構的炭黑/聚丙烯腈（CB/PAN）復合前驅體纖維，隨后將這些多孔纖維作為焦耳熱元件，在甲烷氣氛中進行高溫（約1700 K）通電處理。

在此過程中，甲烷在多孔纖維內部發生熱解，沉積的碳填充了纖維孔隙，實現了致密化和結構優化。通過此方法制備的碳纖維中，甲烷衍生碳含量可高達50 wt%，其拉伸強度可達1.7 GPa，模量可達173 GPa，電導率可達8.5 × 10? S m?1。

綜合成本與生命周期分析表明，與傳統的純PAN基碳纖維相比，ECU工藝可將生產成本大幅削減至約13.52美元/千克，并將碳足跡降低至22.39 kgCO?/kgCF。此外，該技術還能顯著縮短碳/碳復合材料的制備周期并提升其力學性能，為實現碳纖維在汽車等大規模應用領域的經濟可行性與環境可持續性提供了全新的技術路徑。

圖文導讀

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體的結構設計。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構的碳纖維作為焦耳熱元件，在甲烷（CH?）氣氛中進行高溫通電處理，從而促進甲烷熱解并在纖維孔隙內部和表面沉積碳，實現對纖維的致密化和性能升級，同時副產氫氣。圖1b則展示了為驗證該概念而設計和合成的炭黑/聚丙烯腈（CB/PAN）基多孔碳纖維的微觀結構示意圖。該纖維由定向排列的PAN衍生碳原纖維網絡以及嵌入其中的炭黑顆粒共同構成。這種獨特的多孔網絡結構是ECU工藝成功的關鍵，因為它不僅為甲烷氣體向纖維內部的充分擴散提供了通道，同時也為后續熱解碳的沉積和整體結構的強化提供了堅固的骨架，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/聚丙烯腈前驅體纖維的制備過程

圖 2詳細展示了用于ECU工藝的多孔炭黑/聚丙烯腈前驅體纖維的制備過程及其微觀形貌。作者首先通過常規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，將原液經過噴絲板擠出、空氣層和凝固浴后，在高溫甘油浴中進行牽伸，最終制得連續的CB/PAN前驅體纖維（圖2c,d）。掃描電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡圖像（圖2e）揭示了該前驅體纖維的獨特內部結構：聚丙烯腈形成了定向排列的細小原纖維（直徑約300納米），而炭黑顆粒則嵌入在這些原纖維之間。經過爐內穩定化和碳化處理后，所得的CB/PAN碳纖維呈現出由定向碳原纖維網絡構成的多孔結構（圖2f,g）。作者發現，較低的炭黑負載量會導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%。這種可控的多孔結構為后續ECU工藝中的氣體擴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構演變

圖 3系統展示了ECU工藝的三步法流程以及處理后碳纖維的微觀結構演變。ECU工藝的核心是通過調節施加的電流來控制焦耳熱溫度，從而精確調控反應過程（圖3a）。如圖3b所示，該工藝包含三個關鍵步驟：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PAN衍生碳的結構優化；第二步，將溫度降至約1700 K并切換至甲烷氣氛，進行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，以促進新沉積甲烷碳的結構完善。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構被熱解碳逐漸填充、最終形成致密表面的動態過程。經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構，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）進一步證實，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工藝成功地實現了纖維的致密化和結構優化。

圖4 升級后CB/PAN碳纖維的性能以及規模化生產方案示意圖

圖 4綜合評估了升級后CB/PAN碳纖維的性能提升、經濟與環境效益，并提出了規模化生產的方案。實驗數據顯示，ECU工藝顯著提升了碳纖維的性能：以60-CB/40-PAN樣品為例，其電導率提高了約125倍，達到8.0 × 10? S m?1（圖 4a），與商用T300等纖維水平相當（圖 4b）；拉伸強度提高了8倍，達到479 MPa（圖 4c）。優化后的20-CB/80-PAN碳纖維在ECU過程中施加張力，其拉伸強度最高可達1.7 GPa，模量最高可達173 GPa（圖 4d），其綜合力學性能超越了其他文獻報道的低成本碳纖維，并接近美國能源部設定的低成本碳纖維目標（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）。經濟分析顯示，其生產成本約為13.52美元/千克，低于商業T300碳纖維和美國能源部的目標成本（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PAN基纖維和木質素基纖維（圖 4h）。最后，圖 4i 展示了一種可集成到現有產線的連續化卷對卷ECU升級系統設計方案，為技術的工業化應用鋪平了道路。

圖5 ECU技術快速制備碳/碳復合材料

圖 5 展示了ECU技術在快速制備碳/碳復合材料方面的拓展應用。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碳/碳復合材料（圖 5a）。作為概念驗證，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/碳復合材料。力學測試結果表明，基于升級CB/PAN纖維的碳/碳復合材料拉伸強度達到了0.40 GPa（圖 5b），與采用傳統化學氣相沉積方法在1373 K下耗時10小時制備的T300基碳/碳復合材料（約0.38 GPa）性能相當。而基于T300纖維通過ECU法制備的碳/碳復合材料則表現出更高的拉伸強度，達到0.68 GPa（圖 5b），這超過了文獻中報道的無粘結劑或添加昂貴碳納米管粘結劑的碳/碳復合材料性能。掃描電子顯微鏡圖像顯示，所制備的復合材料截面結構致密，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/碳復合材料的制備，相比傳統化學氣相沉積方法（超過10小時）大幅縮短了加工時間（圖 5e），體現了顯著的過程強化優勢。

結論展望

該研究的結論指出，傳統的甲烷熱解工藝主要生成低價值的炭黑，經濟可行性和可持續性受限。而該工作提出的ECU策略提供了一種無需催化劑、由電力驅動的全新路徑，可將溫室氣體甲烷直接轉化為高價值的結構碳纖維，并同時聯產綠色氫氣。盡管ECU法制備的碳纖維在絕對力學性能上尚未超越頂級PAN基碳纖維，但其顯著降低的生產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模應用市場，尤其是普通汽車制造業。

此外，當該工藝使用可再生電力和生物甲烷作為能源與原料時，有望實現負碳排放，將甲烷以固體碳的形式進行封存。ECU平臺不僅能夠升級低品位前驅體纖維，還為將豐富的碳源轉化為包括高性能碳/碳復合材料在內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，將先進材料合成與清潔能源聯產相結合，可以在工業制造與全球氣候變化減緩之間建立可持續的聯系。

文獻信息

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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