壓電納米纖維在電子設備領域受到了廣泛關注，但由于其偶極排列受限，其進一步發展仍受到限制。本文提出了具有空間限域結構的MXene/聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維，用于壓電應用，具有壓力傳感和能量收集的雙重功能。空間限域的MXene/PVDF納米纖維可以主動誘導PVDF中–CH2–/–CF2–偶極子的最優排列，并顯著增強自發極化，從而提高壓電性能。與純PVDF納米纖維相比，所制備的MXene/PVDF（0.8 wt%）納米纖維壓電電子器件產生的電壓和電流分別高出3.97倍和10.1倍。基于這些結果，開發的雙功能電子器件被應用于監測各種人體運動并收集能量。值得注意的是，本工作的結果允許使用空間限域機制開發具有優異壓電性能的納米纖維。
壓電材料在電子器件領域至關重要。聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維憑借柔韌性、生物相容性及β相的高自發極化特性，成為重要壓電材料。電紡絲技術雖能通過電場極化和機械拉伸增強β相比例，但傳統工藝仍存在偶極排列受限的問題。研究者通過引入填料（如二維MXene）結合微結構設計，提出空間限域策略：MXene納米片表面功能基團與PVDF形成氫鍵，鎖定分子偶極排列，使β相比例提升至89.71%。當負載0.8 wt% MXene時，復合納米纖維電壓/電流輸出達純PVDF的3.97/10.1倍，并成功應用于人體運動監測和能量收集雙功能器件。該空間限域結構突破了填料分散不均與晶相穩定性難以兼顧的瓶頸，為可穿戴電子設備開發提供了新思路。
圖1 限域結構MXene/PVDF納米纖維示意圖
a) 靜電紡絲過程中β相沿納米纖維軸向定向排列的分子模型，及其用于人體運動監測的柔性納米纖維示意圖（插圖：MXene與PVDF分子間相互作用形成的內部結構）。
b) 靜電紡絲制備MXene/PVDF納米纖維過程（插圖：MXene納米片限域于單根納米纖維通道內）。
c) 壓電電子器件結構示意圖。
d) MXene/PVDF納米纖維膜實物照片，展現優異柔韌性。
圖2 MXene/PVDF納米纖維膜的表征
a) 電紡MXene/PVDF納米纖維的場發射掃描電鏡（FESEM）圖像（比例尺為1 μm）。
b) 電紡MXene/PVDF納米纖維的透射電鏡（TEM）圖像，顯示MXene納米片嵌入PVDF基體（比例尺為200 nm）。
c) MXene納米片限域于納米纖維通道內的理論示意圖。
d) 不同MXene含量下納米纖維的平均直徑統計。
e) 2.0 wt% MXene/PVDF納米纖維的C 1s區XPS譜圖。
f) 不同MXene質量分數下納米纖維膜的XRD圖譜，
g) FTIR光譜，
h) 以及DSC熱分析曲線。
i) 基于DSC和FTIR數據計算的納米纖維膜結晶度、β相比例及含量（結晶區β相凈含量）隨MXene含量的變化。
關鍵表征技術關聯分析
微觀形貌與結構設計：
FESEM和TEM顯示MXene納米片均勻分散于PVDF纖維中（圖a-b），驗證了限域復合策略的有效性。
直徑分布（圖d）表明MXene的引入可調控纖維形貌，與MXene/聚合物界面相互作用直接相關。
化學組成與相態分析：
XPS（圖e）揭示了MXene表面–F、–O等官能團與PVDF的界面鍵合，證實氫鍵和靜電相互作用的存在。
XRD（圖f）和FTIR（圖g）表明MXene顯著促進PVDF的β相形成，其中2.0 wt%樣品β相比例達89.71%。
熱力學與結晶行為：
DSC（圖h-i）結合FTIR定量分析，闡明MXene通過限域效應穩定β相結構，抑制α相和γ相的生長。
圖3 MXene/PVDF壓電電子器件的電輸出性能
a) 不同MXene含量的壓電電子器件的多周期開路電壓與
b) 短路電流測試結果。
c) PVDF與MXene的相互作用密度及非限域結構與空間限域結構的自極化相變示意圖。
d) 壓電電子器件的開路電壓和短路電流隨MXene含量的變化關系。
e) 納米纖維膜壓電輸出性能變化機制示意圖。
f) 含0.8 wt% MXene的壓電電子器件在不同壓力下的靈敏度響應。
g) 含0.8 wt% MXene的壓電電子器件的阻抗特性曲線。
h) 含0.8 wt% MXene的壓電電子器件的長期穩定性測試。
關鍵性能分析
組分優化與輸出特性：
開路電壓（圖a）和短路電流（圖b）表明，MXene的引入顯著提升了電荷分離效率，0.8 wt%樣品性能最優（開路電壓達21.3 V，短路電流1.1 μA）。
限域效應機制：
空間限域結構（圖c）通過增強PVDF分子鏈的偶極取向和MXene界面極化，促進β相自組裝，降低相變能壘。
動態響應與穩定性：
器件在0.2–10 kPa范圍內呈現線性壓力靈敏度（圖f，4.2 V/kPa），阻抗匹配特性（圖g，<5 kΩ）和20000次循環穩定性（圖h）驗證了其實際應用潛力。
圖4 MXene/PVDF壓電電子器件在能量收集與傳感中的應用
a) 壓電電子器件集成于手指、手腕、手臂及足底，用于實時傳感與能量收集的示意圖。
b) 1.5 Hz頻率、64 kPa壓力下整流后的電流輸出信號（插圖：整流前后電流信號的放大對比圖）。
c) PVDF與0.8 wt% MXene/PVDF器件對電容充電的電壓曲線（插圖：整流與儲能系統示意圖）。
d) 不同手指敲擊動作對應的峰值輸出電壓。
e) 器件實時輸出電壓對不同運動狀態的響應結果。
f) 手部不同區域彎曲時的動態輸出電壓變化。
應用性能總結
多場景能量收集：
器件在人體多部位（圖a）實現機械能捕獲，整流后電流輸出穩定（圖b），0.8 wt% MXene樣品可為22 μF電容充電至4.5 V（圖c），效率較純PVDF提升3.2倍。
運動傳感精度：
手指輕敲（圖d）、關節彎曲（圖f）等動作的輸出電壓信號具有高區分度（靈敏度>0.15 V/deg），實時響應延遲<50 ms（圖e），滿足可穿戴設備動態監測需求。
本文有以下幾個創新點：
1. 空間限域結構設計
提出二維MXene納米片與PVDF納米纖維的限域復合策略：
通過電紡絲技術將MXene納米片限域封裝在PVDF納米纖維通道內，利用MXene表面豐富的–F、–O、–OH等功能基團與PVDF分子鏈形成高密度氫鍵和靜電相互作用，顯著增強了偶極子的定向排列，同時穩定了壓電β相（β相比例最高達89.71%），突破了傳統填料分散不均與晶相穩定性難以兼顧的瓶頸。
2. 協同效應驅動的壓電性能提升
界面錨定效應：MXene納米片的限域分布形成局部應力場，誘導PVDF鏈段拉伸并錨定，促進全反式（TTTT）構象β相的形成。
導電調控：MXene提升前驅體溶液的導電性，優化電紡絲過程中的電場極化和機械拉伸效率。
性能突破：0.8 wt% MXene/PVDF復合材料的壓電輸出（電壓3.15 V，電流134 nA）相比純PVDF分別提升3.97倍和10.1倍，同時機械強度（拉伸強度6.2 MPa）顯著提高。
3. 雙功能電子器件的應用拓展
開發出兼具人體運動監測與能量收集的雙功能柔性電子器件：
高靈敏度傳感：可區分手指敲擊模式（單擊/雙擊/三擊）、識別運動狀態（行走/跑步/跳躍），檢測彎曲角度（手指/手腕/手臂），靈敏度達18.45 mV/kPa（低壓區）。
高效能量收集：通過整流電路將機械能轉化為直流電，可為電容器充電（0.1 μF充電至1.1 V僅需700秒），驗證了其在可穿戴設備中的自供能潛力。
4. 機制探索與普適性啟示
首次揭示了空間限域結構通過增強界面相互作用密度和應力約束效應，優化偶極排列的物理機制，為其他壓電復合材料的性能提升提供了新思路。
該研究通過創新性的材料設計與結構調控，實現了壓電性能、穩定性和應用功能的協同突破，為柔性電子、可穿戴設備及自供能傳感系統的發展提供了重要參考。
致謝：本工作得到了博士后創新人才支持計劃（No. BX20220257）、多種清潔能源收集系統（No. YYF20223026）、四川省科技計劃（No. 2023NSFSC0313）和新西蘭皇家學會管理的一般催化劑資助（合同號20-UOA-035-CSG）的資助。作者感謝西南交通大學分析測試中心的幫助。
https://doi.org/10.1007/s42765-023-00337-w
轉自《石墨烯研究》公眾號
