一、研究背景

氧化铪（HfO2）具有高介电常数、优异的力学性能、热稳定性、宽能带等优点，在金属氧化物半导体器件、光电子学、微电子学等领域得到了广泛的应用具有特殊形貌的HfO2材料已被应用于不同的领域。例如，Qiu等人将纳米hfo2纤维的涂层方法应用于W-Re合金上，显示出高熔点（高于3000 K）的抗热震性。此外，Kahro等人报道了一种通过原子层沉积（ALD）生长的HfO2薄膜，揭示了电阻开关介质的应用这些应用是基于HfO2材料的物理化学性质和纳米结构的高表面积。

除了HfO2块状材料外，还采用原子层沉积、电化学阳极氧化、热氧化和溶胶-凝胶法等多种方法制备了具有特殊形貌的HfO2材料。例如，原子层沉积已被用于生成超薄的HfO2层，可进一步用于Li-S电池，气敏和高性能场发射器。Su等人还利用溶胶-凝胶溶液静电纺丝法制备了HfO2纳米带。类似地，Xu等人使用静电纺丝法生产了HfO2纳米纤维此外，Berger等人使用电化学工艺从纯Hf箔中生产HfO2纳米管。尽管有这些工作，但考虑到HfO2中空纤维的高比表面积，开发具有特殊形态的HfO2材料的经济方法仍然具有挑战性。

为此，在这项工作中，我们提出了一种简单而通用的策略，使用溶胶-凝胶和静电纺丝相结合的方法来制备HfO2中空纤维。首先，聚苯乙烯（PS）纤维通过静电纺丝技术形成。然后，用HfO2前驱体溶液涂覆电纺丝PS纤维，干燥后形成HfO2涂层PS纤维。通过高温（800℃）热处理，HfO2前驱体凝结，PS纤维选择性热解，形成HfO2中空纤维。从扫描电镜（SEM）表征来看，HfO2中空纤维表面相对粗糙，直径减小，这是由于HfO2前驱体的凝结和PS纤维的消失造成的。我们还研究了前驱体溶液的摩尔比的影响，表明使用较少的前驱体可以得到直径较小的HfO2纤维。用热重分析（TGA）和能谱分析（EDS）确定了所制备材料的成分。x射线衍射（XRD）分析表明，800℃退火后的HfO2中空纤维结晶度高于400℃退火后的纤维结晶度。此外，HfO2中空纤维的水接触角（WCA）为38.70±5.24°，这是亲水性HfO2的性质和疏水性PS纤维的去除造成的。与其他研究相比，我们的工作展示了一种多功能策略，不仅可以制造HfO2纤维，还可以制造HfO2中空纤维。此外，我们的聚合物和溶胶-凝胶法的结合需要更低的加工温度（400或800℃）来获得结晶的HfO2材料。我们认为HfO2中空纤维在过滤、储能、存储器件等各个领域都有很大的应用潜力。

二、摘要

近年来，氧化铪（HfO2）因其高介电常数、优异的热稳定性和高带隙而受到越来越多的关注。虽然HfO2块状和薄膜材料已经被制备和研究，但HfO2纤维，特别是中空纤维，研究较少。在这项研究中，我们提出了一种简单的制备HfO2中空纤维的方法，该方法将溶胶-凝胶法和静电纺丝技术相结合。最初，聚苯乙烯（PS）纤维是通过静电纺丝制备的，然后浸在HfO2前驱体溶液中，得到HfO2涂层的PS纤维。随后的800℃热处理保证了PS纤维的选择性热解和HfO2前驱体的完全缩聚，形成HfO2中空纤维。扫描电镜（SEM）表征显示，HfO2中空纤维表面粗糙，直径减小，这一转变归因于PS纤维的去除和HfO2前体的缩合。我们的研究还深入探讨了前驱体溶液摩尔比的影响，展示了在减少前驱体量的情况下实现更小HfO2纤维直径的能力。材料成分的验证是通过热重分析（TGA）和能量色散光谱（EDS）作图实现的。此外，x射线衍射（XRD）分析提供了对HfO2中空纤维结晶度的深入了解，与400°C处理的纤维相比，800°C退火的纤维结晶度更高。值得注意的是，HfO2中空纤维的水接触角（WCA）为38.70±5.24°，表明在去除PS纤维后，HfO2中空纤维的性能由疏水性转变为亲水性。展望未来，这项工作为HfO2中空纤维在过滤、储能和存储设备等领域的表面特性和潜在应用的广泛研究铺平了道路。

三、结论

在这项工作中，我们成功地采用溶胶-凝胶和静电纺丝相结合的方法合成了HfO2中空纤维。静电纺丝成纤维后，将HfO2前驱体溶液涂覆在静电纺丝的PS纤维上，形成HfO2涂层的PS纤维。通过高温（800℃）热处理，PS纤维选择性热解，HfO2前驱体凝聚，形成HfO2中空纤维。利用扫描电镜对制备的材料进行形貌分析；由于PS纤维的消失和HfO2前驱体的缩聚，HfO2中空纤维表面相对粗糙，直径减小。研究了前驱体溶液摩尔比的影响，表明使用较少的前驱体可以得到直径较小的HfO2纤维。用热重分析和能谱分析确定了所制备材料的成分。

XRD结果表明，800℃退火后的HfO2中空纤维结晶度高于400℃退火后的HfO2中空纤维。此外，HfO2中空纤维的WCA为38.70±5.24°，这是由于去除疏水性PS纤维和亲水性HfO2的性质所致。在未来，我们将进一步研究HfO2中空纤维的表面性能及其在过滤、储能和存储器件等方面的应用。

图1.实验流程图

图2.（a, b）形成HfO2的溶胶-凝胶过程和反应方案。(c)静电纺丝、HfO2涂层和热解制备HfO2中空纤维的示意图。