随着化石燃料快速消耗，能源危机与环境问题日益凸显，电解水制氢、燃料电池、可充金属‑空气电池等新一代可再生能源转换存储技术受到广泛关注。析氢（HER）、析氧（OER）、氧还原（ORR）是这些电化学器件的核心电催化反应。目前商用高效催化剂多依赖 Pt、Ir/Ru 等贵金属，但贵金属储量稀少、价格昂贵、长期稳定性欠佳，极大限制大规模产业化。
开发低成本、高活性、高稳定性的非贵金属电催化剂成为研究热点。碳基复合催化剂材料是非常理想的催化剂载体材料，传统纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯存在制备条件严苛、成本高等短板。生物质衍生碳材料绿色可持续、原料易得，受到广泛关注，而纳米纤维素作为一类新兴生物质碳前驱体，独特的一维纳米纤维结构使其脱颖而出。
近日,苏州大学王萍、张岩、许庆丽团队在期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上，发表综述文章“Unlocking the potential of nanocellulose: Promising substrate materials for electrocatalysts”，系统总结纳米纤维素作为碳载体在析氢（HER）、析氧（OER）、氧还原（ORR）催化领域的最新研究进展。
图1：纳米纤维素基电催化材料综述框架
纳米纤维素主要分为纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素纳米晶（CNC）与细菌纤维素（BC）三类。经过高温碳化后可转化为三维互联碳纳米纤维框架，具备比表面积大、孔隙丰富、导电性好等优势，能够加快传质与电荷传输，有效分散和锚定活性金属组分，提升电催化性能。其中细菌纤维素力学性能优异，适合制备自支撑电极，但制备成本相对更高；纤维素纳米纤维易于构建三维网络，但产物多为粉末；纤维素纳米晶刚性强、长径比小，形成三维纤维网络通常更脆弱。
图2：纳米纤维素的制备与形貌结构特征
图3：纳米纤维素基电催化材料的制备与性能
纳米纤维素的导电性、比表面积、孔结构、表面化学共同决定催化性能。高温碳化赋予材料导电网络，高比表面积利于活性物质分散，抑制颗粒团聚；分级孔道兼顾活性位点数量与离子、气体传质效率；表面丰富羟基可锚定金属离子，实现活性组分均匀负载。
图4：纳米纤维素基电催化材料的结构与性能关系
纳米纤维素不仅仅是导电以及分散活性位点的载体：界面金属‑载体相互作用可以调变活性位点电子结构，优化中间体吸附能；碳骨架还能物理防护活性组分，减轻金属溶出，提升稳定性。经杂原子掺杂后，纳米纤维素衍生碳自身也可提供无金属催化活性位点。
综述归纳了几类性能提升和改进策略：贵金属体系依靠基底限域降低用量；过渡金属催化剂可通过尺寸调控、孔隙工程、金属/非金属掺杂、异质界面构建等方法来提升活性位点数量和本征活性；杂原子掺杂无金属碳材料本征活性仍有待提高。
图5：纳米纤维素基催化剂性能提升与改进策略
目前纳米纤维素基电催化材料仍存在一些限制与缺点：碳化石墨化程度有限、相比于泡沫镍等金属载体其导电性不足；原料批次不均、冻干工艺能耗大，难以量产；多数催化性能评价仅依赖实验室三电极测试，缺少电解槽、锌‑空气电池等器件和工业工况验证。
图5：纳米纤维素基催化剂展望
文章提出，未来需借助原位表征与理论计算解析真实活性位点；开发新型热解、干燥工艺；强化器件层面性能评估，推进实际应用。总之，纳米纤维素绿色可设计，在氢能、金属‑空气电池领域拥有良好应用前景，是替代贵金属催化剂的潜力候选材料。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032126008749
人物简介：
张岩，工学博士，苏州大学教授、博士生导师。现任苏州大学纺织与服装工程学院副院长兼现代丝绸国家工程实验室副主任，江苏省纺织工程学会青年工作委员会主任，《服装学报》编委，《现代纺织科技》等3本期刊青年编委。主要研究方向为新型纤维及其纱线、纺织结构复合材料。发表SCI论文100余篇，授权发明专利20余件。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、苏州市自然科学基金等纵向项目和多项企业委托项目；在纳米纤维材料和三维机织物设计方面的研究成果获江苏省科技进步三等奖1项，中国纺织工业联合会科技进步二等奖3项。
许庆丽，工学博士，苏州大学纺织与服装工程学院博士后。主要从事柔性储能纤维与器件及能源存储与转换方面的研究。主持江苏省自然科学基金和江苏省高校面上项目。近五年在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Journal of Colloid and Interface Science等期刊发表SCI论文20余篇。
王萍，工学博士，苏州大学教授、博士生导师。现任苏州大学纺织与服装工程学院非织造材料与工程系主任、纺织与服装设计国家级实验教学示范中心（苏州大学）副主任、纺织与服装国家级虚拟仿真实验教学中心（苏州大学）副主任。主要研究方向为功能化纤维材料的结构设计及其应用。主持国家级、省部级科研项目10余项，近年来在Coord Chem Rev、Renew Sust Energ Rev、Nano Energy、Chem Eng J等期刊上发表高水平学术论文120余篇，其中高被引论文2篇，文章总被引次数2000余次，H指数23，授权发明专利20余件。