輕質(zhì)、高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其中，在碳纖維表面嫁接碳納米管獲得多級(jí)結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)與有機(jī)物基體的界面作用及復(fù)合材料力學(xué)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(zhǎng)一薄層碳納米管（通常小于100微米），無法充分發(fā)揮這種多級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目在直徑為7微米的單根碳纖維表面直接生長(zhǎng)宏觀厚度（1-10毫米）的海綿，在海綿的底部有一個(gè)過渡層（碳納米管被非晶碳包覆）能夠增強(qiáng)界面作用，使得拉伸測(cè)試時(shí)碳纖維從環(huán)氧基體中的滑脫被完全抑制，有利于改進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的界面特性從而提高力學(xué)性能。更重要的是，傳統(tǒng)的纖維材料、碳納米管或石墨烯紡絲都比較密實(shí)，而海綿具有三維多孔結(jié)構(gòu)，可以負(fù)載不同的活性物質(zhì)制備功能器件，開發(fā)更多的應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)可用作超級(jí)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(nèi)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(jí)電容器性能（Adv.Mater.2014,26,3241）。

北京大學(xué)工學(xué)院課題組探索了碳納米管海綿在能源領(lǐng)域的新應(yīng)用，取得了一些重要的進(jìn)展和成果。具體如下： （1）通過在碳納米管海綿內(nèi)部均勻可控負(fù)載多種有機(jī)、無機(jī)活性物質(zhì)，制備了高性能三維多孔電極材料，應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰離子電池等能量存儲(chǔ)器件。以碳納米管海綿為多孔模板和載體，通過原位生長(zhǎng)或后處理方法引入贗電容有機(jī)物、氧化物、鈣鈦礦、介孔硅/碳、二維材料、金屬有機(jī)框架（MOF）等多種活性物質(zhì)，獲得了一系列均勻負(fù)載、結(jié)構(gòu)可控的三維多孔復(fù)合材料，并用作超級(jí)電容器、鋰離子電池等能量存儲(chǔ)器件的電極。其中，三維互連的高導(dǎo)電碳納米管網(wǎng)絡(luò)作為電子傳輸?shù)目焖偻ǖ溃渖县?fù)載的有機(jī)或無機(jī)活性物質(zhì)提供大量、均勻分布的納米級(jí)活性位點(diǎn)，同時(shí)，海綿內(nèi)部連通的大孔和介孔成為電解液浸潤(rùn)和離子傳輸?shù)亩嗉?jí)孔道。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于電子和離子的高效傳輸及鋰離子脫嵌等電化學(xué)反應(yīng)。例如， 項(xiàng)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(jī)物（PPy,PANI等）復(fù)合海綿超級(jí)電容器電極（ACSAppliedMater.&Inter.2014,6,5228），并采用雙層有機(jī)物核殼結(jié)構(gòu)顯著提高了其循環(huán)穩(wěn)定性（Nanoscale2016,8,626）。開發(fā)了具有同軸納米管結(jié)構(gòu)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(huán)穩(wěn)定性。 （2）制備了新型碳纖維-碳納米管海綿多級(jí)雜化結(jié)構(gòu)，在功能復(fù)合材料、纖維型能源器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。