  邢锋院士及其团队成员朱继华教授、裴纯副教授在碳纤维电化学行为调控及工程应用领域取得突破性进展。研究工作系统阐明了碳纤维在外场诱导下的跨尺度构效演化机理，揭示了碳纤维电化学行为调控机理，并开发了四项创新应用技术，建立了“机理-材料-工程-循环”全链条科学认知和应用体系。该系列原创性研究可推动土木工程和复合材料等相关领域的协同创新，相关工作获得广东省重点领域研究计划（No.: 2019B111107002）支持，研究成果分别于2024年10月和2025年3月发表于中国工程院院刊《Engineering》。 研究首次阐明了碳纤维在“电子受体型-插层型”阴离子环境下电化学行为的差异化调控机理。在电子受体型阴离子（如Cl⁻、Br⁻）体系中，碳纤维在3V阳极极化下发生表面氧化重构，Cl⁻转化为ClO⁻并形成稳定的C-Cl共价键网络，显著提升其氧还原反应（ORR）活性，使起始电位由原始的-0.23V提升至-0.13V（相对于可逆氢电极，vs. RHE），接近贵金属催化剂水平。在插层型多原子阴离子（如SO42-、PO43-）体系中，溶剂化离子通过化学膨胀-机械剥离耦合作用突破碳层间范德华力阈值，形成具有三维多孔结构的超级碳纤维，实现微孔双电层储能、介孔离子高速输运与宏孔力学承载的多尺度协同。  图1 碳纤维在“电子受体型-插层型”阴离子环境下电化学行为 基于上述机理，指导碳纤维材料的跨学科功能化实践，开发了四项创新应用成果： （1）滨海钢筋混凝土结构耐久性复合干预技术（ICCP-SS）：氯离子侵蚀是滨海钢筋混凝土耐久性劣化的主要诱因。研究表明，碳纤维的双电层界面在Cl⁻/OH⁻环境下可形成稳定的梯度氧化层，显著增强其阳极和力学性能稳定性。该技术结合滨海富氯服役环境特征，构建碳纤维/水泥基复合材料，同时作为钢筋电化学阻锈的阳极材料和混凝土结构的加固材料，实现滨海钢筋混凝土力学性能和耐久性能协同保障。ICCP-SS系统可在<20mA·m-2低电流密度下长效运行，适用于滨海重大基建工程。  图2 滨海钢筋混凝土结构耐久性复合干预技术（ICCP-SS） （2）碳纤维混凝土电化学储能技术：混凝土是应用规模最大的人造材料，具有多孔含水特性，但其本征导电性低，离子传输效率有限，因此发展混凝土电池的先天优势与挑战并存。研究发现，通过SO42-/OH-协同活化策略可定向重构碳纤维介观结构，使其比表面积突破至48.3 m2·g-1，孔隙体积达0.152 cm3·g-1。介孔结构优化双电层电荷存储效率，结合表面含氧官能团赝电容贡献，使电极比容量达到57.50 F·g-1，较未改性碳纤维提升了478倍。构建的三维碳骨架增强了结构稳定性，经10000次充放电循环后容量保留率仍高于90%。该研究旨在充分发掘典型土木工程功能材料的潜力，将碳纤维从单一增强相转化为导电、承载与储能功能于一体的多功能介质，为解决混凝土力学性能与储能性能互斥难题，同时发挥混凝土储能规模化优势奠定了材料基础。  图3 碳纤维电极电化学储能性能 （3）碳纤维亚微米级无粘合剂精密加工技术：碳纤维具备高导电性和优异力学性能，是微机电系统（MEMS）器件理想材料，但其高度取向结构和强层间作用导致传统微加工技术面临器件成型精度不足和界面损伤难题。研究发现，SO42-在电场驱动下可诱导碳纤维π-π堆叠结构的可控解构，通过电化学势场调控晶格层间应力，可实现碳纤维亚微米级形变控制。据此，开发了一种电化学-机械耦合微加工成型技术，实现微米级局部形变与毫米级宏观构型的同步精准控制，可精确构建曲率半径≤100μm的碳纤维三维螺旋/分形结构。该技术突破性实现碳纤维无粘合剂精密加工，为微纳制造、生物医学等前沿领域提供兼具机械鲁棒性与功能适配性的先进制造方案。  图4 碳纤维电化学精密微加工技术 （4）碳纤维复合材料无损回收与再利用：传统碳纤维增强复合材料（CFRP）的热固性树脂基体不溶不熔，难以分解回收。研究表明，在Cl⁻/OH⁻体系中，当电流密度>10A/dm2时，Cl⁻渗透诱导的局部超电势可精准攻击环氧树脂分子中交联活性位点。可通过阳极氧化-自由基耦合机理实现环氧基体逐层解聚，同时完整保留碳纤维连续结构。该研究提供了常温常压条件下的CFRP温和无损化学回收技术，回收碳纤维除脂率>99%，拉伸强度可达原丝的95%，界面剪切强度提升至原丝的120%。在此基础上，进一步开发了采用回收碳纤维的再生CFRP和碳纤维混凝土等循环利用技术，为碳纤维复合材料相关领域提供了闭环解决方案。  图5 碳纤维复合材料电化学回收与再利用；（a）电化学回收碳纤维示意图及原生和回收碳纤维的微观形貌；（b）回收碳纤维增强复合材料力学性能；（c）回收碳纤维增强水泥基材料力学性能 论文信息： [1] Chun Pei, Hongtao Yu, Ji-Hua Zhu, Feng Xing. Efficient Multifunctional Modification of Commercial Carbon Fiber through Tailored Carbon Layer Structure. Engineering, 2024. https:///10.1016/j.eng.2024.09.017 [2] Ji-Hua Zhu, Qujian Li, Chun Pei, Hongtao Yu, Feng Xing. Evolution Mechanism of Carbon Fiber Anode Properties for Functionalized Applications: Impressed Current Cathodic Protection and Structural Strengthening. Engineering, 2025.https:///10.1016/j.eng.2025.03.005 |
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