二氧化硅(SiO₂)是地球上普遍存在的无机物，在当今世界，SiO₂的使用也越来越广泛。SiO₂是现代工业基础的重要组成部分，应用于从玻璃制造到石油开采的众多工业领域。当SiO₂的尺寸降低至纳米级时，纳米材料的表面效应和量子尺寸效应将赋予其独特的热、光和电学性质，这也将极大地提升它在应用中的性能表现。在过去的几十年里，人们探索了多种先进制造技术制备出了系列一维(1D)SiO₂纳米材料(如纳米棒、纳米带、纳米管和纳米纤维等)。与其他制备1D纳米材料方法所不同的是，通过静电纺丝技术制备出的纳米纤维在成分控制、结构设计和功能扩展等方面均具有明显优势。此外，对于静电纺SiO₂纳米纤维而言，它还具有自身独特的优异性质，如化学性质稳定、耐高温、热膨胀系数低、生物相容性好等。这些突出的综合性能使其在纳米器件、柔性能源、组织工程、工业催化等领域具有广阔的应用前景。

1. 介绍了不同结构的SiO₂纳米纤维及其三维组装体的合成策略。

2. 讨论了SiO₂纳米纤维从脆性到柔性的转变及其力学增强的方法。

3. 展示了SiO₂纳米纤维气凝胶的多功能应用，并对其未来发展的机遇和挑战进行了展望。

为了制备形貌良好的SNFs，一个典型的过程包括以下三个步骤：(1)制备稳定的可纺溶液；(2)利用静电纺丝技术制备前驱体纳米纤维；(3)高温煅烧去除有机组分获得SNFs。可纺溶液通常应包含硅前驱体、聚合物、溶剂、水和催化剂。静电纺丝设备相对简单，它一般由四部分组成：高压电源、注射泵、金属针式喷丝板和接收基板。在典型的静电纺丝过程中，纺丝液以可控的速度泵入喷丝板，通过高压电源使金属针通电。当溶液被挤压到金属针的尖端时，由于表面张力的存在，它倾向于形成球形液滴，但它的表面很快被施加电压的电荷覆盖。同号电荷的排斥力与表面张力竞争，使液滴的形状不稳定。当排斥力大到超过表面张力时，液滴就会形成一个锥体，也称为泰勒锥，此时射流将从锥体的尖端喷射出来。

图1. 具有不同结构的静电纺SNFs在众多领域中的应用。

图2. (a) 静电纺丝装置示意图; (b) 静电纺丝过程中射流运动的典型图像; (c) 静电纺SNFs的制备工艺示意图; (d) 空气中煅烧后SNFs的SEM图像。

II 静电纺SNFs的结构设计

众所周知，材料的制备应结合一种或多种功能特性，以满足不同的应用需求。根据材料科学中被广泛认可的结构-性能关系，需要对材料结构进行更巧妙的设计，使其更有利于发挥功能优势。到目前为止，在静电纺SNFs上出现了多种结构，它们可以大致可分为六类：核鞘结构、中空结构、多孔结构、多级结构、取向结构和三维(3D)组装结构。

图3. (a) 同轴静电纺丝装置示意图; (b) TiO₂/SiO₂初纺纤维的SEM图像; (c) SiO₂/Al₂O₃纳米纤维煅烧后的TEM图像; (d) SNFs的SEM图像; (e) SNFs的TEM图像; (f) SiO₂@TiO₂纳米纤维的TEM图像。

III 静电纺SNFs的力学性能

图4. (a) 柔韧SNFs膜的光学照片; (b) SNFs的TEM图像; (c) SNFs的XRD图谱; (d) SNFs柔韧性来源的可能性机理示意图; (e) SiO₂/SnO₂纳米纤维的TEM图像; (f) 选定区域的高分辨率TEM图像; (g) SiO₂/SnO₂纳米纤维膜的拉伸强度和断裂韧性; (h) MMT@ZrO₂-SiO₂纳米纤维的SEM图像; (i) MMT@ZrO₂-SiO₂纳米纤维的TEM图像; (j) ZrO₂-SiO₂和MMT@ZrO₂-SiO₂纳米纤维膜的应力应变曲线。

IV 静电纺SNFs的应用

SNFs作为应用最广泛的1D陶瓷纳米结构材料之一，具有高孔隙率、大比表面积和独特的光学特性，极大地提升了纳米纤维集合体的性能，极大地拓宽了其应用领域。SiO₂纳米纤维集合体，特别是3D纳米纤维气凝胶，在许多应用场景中更方便部署，并能充分发挥其性能优势。在本节中，我们主要关注SiO₂纳米纤维气凝胶在实体防护、医疗卫生和水处理领域的相关应用，以及近年来在这些关键研究领域所做的许多创新工作。

图5. (a) ZrO₂-SiO₂纳米纤维气凝胶的SEM图像; (b) 影响ZrO₂-SiO₂纳米纤维气凝胶热导率的因素示意图; (c) 光学和红外图像显示气凝胶的温度分布; (d) 陶瓷纳米纤维气凝胶的SEM图像; (e) 闭合的腔壁吸声机理示意图; (f) 氧化石墨烯负载量对气凝胶降噪系数和气流阻力的影响; (g) 相关气凝胶吸音系数的变化; (h) Zr(OH) ₄ @PVB/SiO₂纳米纤维气凝胶的SEM图像; (i) 气凝胶降解DMMP的机理; (j) DMMP降解与反应时间的关系图; (k) 提取的初始和30分钟后的色谱图。

V结论和展望

本文综述了静电纺SNFs的研究进展，包括从实心到核鞘、中空、多孔、多级、取向和3D组装等结构设计，以及相关的合成策略。还讨论了静电纺SNFs的力学行为和有效的力学增强手段。此外，还介绍了静电纺SNFs纳米纤维在多领域的最新成果。虽然目前已经取得了很大的突破，但在静电纺SNFs的设计、制备和应用方面仍存在诸多挑战，未来还需要继续开展更多的工作。本文提出了一些观点，希望对该领域的快速发展起到建设性作用。

(1) 目前的研究主要集中在静电纺纳米纤维的核鞘结构、多孔结构和多级结构等方面，尚未开发出其他更有吸引力的纳米结构。例如，在静电纺聚合物纤维中报道的二维纳米网。这些纳米网具有超细直径(10~40 nm)、小孔径的高孔隙率结构，在能源、过滤和防护应用方面具有很大的潜力。

(2) 当前静电纺SiO₂纳米纤维气凝胶的制备方法主要有冷冻干燥法和片层堆叠法，然而，这些方法普遍繁琐、耗时和耗能，因此亟需开发其他简便、高效的气凝胶制备方法。3D反应静电纺丝法有望开辟制备纳米纤维气凝胶的新途径，该方法成功的关键在于调控无机溶胶射流的凝胶化速率。

(3) 目前SNFs膜的拉伸强度一般小于5 MPa，而冷冻干燥法制备的SiO₂纳米纤维气凝胶的压缩应力一般小于20 kPa。这些材料仍难以满足某些特定应用对于力学性能的要求。因此提高纳米纤维的力学性能是目前亟待解决的问题，而解决这一问题的关键在于如何制备高强高韧的SiO₂纳米单纤维。