本研究由常州大学机械与轨道交通学院的王旭、王琦、郭畅等学者，联合浙江森诺瑞太阳能科技有限公司及常州大学微电子学院、材料科学与工程学院的研究人员共同完成。通讯作者为王琦、陆小龙和郭畅。该论文发表于 Langmuir 期刊，2026 年第 42 卷，第 7290 至 7297 页，于 2026 年 3 月 4 日正式出版。
一、研究背景与目的
聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）因其优异的压电性能、柔韧性、轻质、生物相容性和化学稳定性，被广泛应用于柔性自供电压力传感器。然而，PVDF 最常见的 α 相不具有压电性，必须通过特殊处理将其转化为极性 β 相才能激活压电性能。传统方法包括静电纺丝、电极化或纳米填料添加。静电纺丝和电极化虽能产生强压电效应，但需要数 kV 的高电压；纳米填料方法则通常只诱导较弱的界面极化，机电性能不足。
近年来，一种将 PVDF 与 Nafion（全氟磺酸离聚物膜）结合的压电离子—电子（piezoionic−electronic）架构逐渐兴起。Nafion 在非均匀机械应力下会发生异质离子迁移，产生可测量的表面电位梯度，即压电离子效应。在 Nafion/PVDF 复合材料中，Nafion 不仅促进 PVDF 的 β 相结晶，还能通过机械输入产生内部电场，使相邻的 β 相 PVDF 极化。这种策略无需高压极化，简化了器件设计与制造。MXene（Ti₃C₂Tₓ）作为一种二维过渡金属碳化物/氮化物，已被证明能提高压电离子器件的机电效率，并可促进 PVDF 中 β 相的形成。
基于此，本研究提出了一种 MXene 增强的压电离子—电子压电薄膜。研究团队设计并制备了一种三层结构的 PVDF/Nafion−MXene/PVDF 薄膜（简称为 PNMP），通过热压成型并辅以机械弯曲实现 PVDF 层的自极化（self-polarization）。研究旨在通过 MXene 的多功能作用，进一步提升器件的压电效能并阐明其增强机制。
二、研究流程与方法
研究流程主要分为以下几个关键步骤：
MXene 纳米片的制备：采用 LiF/HCl 原位生成 HF 的温和刻蚀方法，从 MAX 相（Ti₃AlC₂）中刻蚀铝层。具体为：将 2 g LiF 与 40 mL 浓盐酸在 40 °C 下搅拌 30 min 生成 HF，随后缓慢加入 2 g Ti₃AlC₂，密封搅拌 48 h 完成刻蚀。反应产物经 8000 rpm 离心、去离子水洗涤至 pH ≥ 6，再超声处理 3 h 进行剥离，最后在 4500 rpm 离心后取上清液，真空抽滤并冷冻干燥，获得少层 MXene 纳米片粉末。
单层膜的制备：将 PVDF 粉末溶解于 DMF 中，在 50 °C 水浴中磁力搅拌 2.5 h，得到 0.15 g/mL 的均匀溶液。经真空脱气后浇铸于玻璃基板上，60 °C 加热 1 h 形成固态 PVDF 膜。将 MXene 以不同质量分数（1.0、2.0、2.5、3.0 wt%）混入 Nafion D520 溶液，超声 20 min 后磁力搅拌 10 min 得到均匀分散液，浇铸于玻璃基板上，35 °C 干燥 1 h 并在 100 °C 退火 20 min，制成 Nafion−MXene 复合单层膜。
PNMP 三层膜的组装与自极化：将 PVDF、Nafion−MXene、PVDF 单层膜依次堆叠，在 170 °C、100 MPa 下热压 10 min，形成紧密结合的三层结构。电极区域使用遮蔽胶带保留，涂覆导电银浆并用刮刀均匀分布。整体用 80 μm 热塑性聚氨酯（TPU）薄膜封装以减少外部干扰。最后，通过 50 次反复弯曲循环实现自极化。作为对照，以相同方法制备了不含 MXene 的 PVDF/Nafion/PVDF（PNP）薄膜。
表征与测试：采用 X 射线衍射（XRD）表征 MXene 粉末的晶体结构；场发射扫描电子显微镜（SEM）观察 MXene 纳米片形貌、Nafion−MXene 膜表面和 PNMP 膜截面结构；差示扫描量热法（DSC）分析聚合物热性能；衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR−FTIR）测定 PVDF 中 β 相含量。Nafion−MXene 膜的电化学阻抗谱（EIS）和 I−V 曲线由电化学工作站（CHI760E）测量，频率范围 1 MHz 至 0.1 Hz，偏压 0 V，交流振幅 10 mV。质子电阻由 Nyquist 图高频区外推至实轴得到；电子电阻由循环伏安（CV，电压窗口 ±0.5 V）I−V 曲线线性区斜率计算。电导率按公式 σ = d/(A×R) 计算，其中 d 为样品厚度（20 μm），A 为横截面积（2 cm²），R 为电阻。压电性能测试装置由线性电机施加压力，力传感器（ZNLBS 型）配合数据采集卡记录实际力值，示波器（DS1120E）采集薄膜输出电压。
三、主要研究结果
XRD 图谱显示，Ti₃AlC₂ 的（002）衍射峰在约 9.5°，刻蚀后宽化并移至约 8.9°，证实铝层被去除且表面引入官能团，成功转化为 Ti₃C₂Tₓ MXene。SEM 图像显示 MXene 呈少层片状形貌，Nafion−MXene 复合膜表面光滑平整且 MXene 均匀分散，PNMP 截面清晰呈现三层结构，PVDF 和 Nafion−MXene 层厚度均约为 20−30 μm。
压电性能测试表明，在 502.9 kPa 压力下，添加 MXene 可显著提高输出电压，且电压随 MXene 含量先升高后下降，在 2.5 wt% 处达到峰值。在 34.7 至 867.0 kPa 压力范围内，实时电压随压力单调上升。峰值电压—压力关系呈现两个线性区域：34.7−277.5 kPa 区间灵敏度为 64.5 mV/kPa，277.5−867.0 kPa 区间灵敏度为 32.1 mV/kPa。该双线性特征归因于 Nafion−MXene 层内质子的有限可用性。检测限为 4.7 kPa（信噪比 S/N = 3），传感范围 4.7−867.0 kPa，优于多数 PVDF 基同类器件。
交流阻抗谱和 I−V 测试结果显示，Nafion−MXene 膜的质子电导率随 MXene 含量先增后减，在 2.5 wt% 时达到最大；电子电导率则因 MXene 的本征高导电性而随其加入显著提升。MXene 表面羟基（−OH）与 Nafion 磺酸基团形成氢键，为质子跳跃（Grotthuss 机制）提供有效位点；同时，MXene 的高比表面积和各向异性结构构建了连续的离子传导通道，延长了质子传输路径。然而，过量 MXene（>2.5 wt%）会导致聚集，减少界面面积和网络连续性，降低质子电导率。DSC 和 ATR−FTIR 分析表明，MXene 的加入促进了 PVDF 的结晶，在 2.5 wt% MXene 时 β 相含量从无 MXene 时的 23.9% 提升至 31.8%。当 MXene 含量达到 3 wt% 时，β 相含量出现下降，与质子和电子电导率的趋势一致。
响应时间测试显示输出信号响应时间为 0.5 ms，具有超快响应特性。在 1、2、4、5 Hz 循环加载下，电压输出保持稳定，表现出良好的频率无关性。弯曲循环次数对压电性能的影响研究显示，经过 50 次弯曲后响应趋于饱和。
能量收集测试中，输出电压随外接负载电阻增大而上升，在 >100 MΩ 时趋于平台；输出功率在约 1 MΩ 时达到峰值，约为 75 μW，对应的功率密度为 660 mW/m²。通过全波桥式整流器将按压产生的交流输出转换为直流输出，成功点亮 29 个发光二极管（LED）。在旋转能量收集模拟装置中，六叶片叶轮击打悬空面积为 10 mm × 10 mm 的 PNMP 膜，在 2.1 r/s 转速下输出电压约 1.6 V，转速升至 16.7 r/s 时电压达约 3.1 V。在 11.1 r/s 下连续击打 50 min（约 200,000 次）后，输出电压保持稳定，证明了长期耐久性。
在人体运动监测应用中，PNMP 膜贴附于手指关节可跟踪弯曲动作，产生 ±1.3 V 的周期性峰值；贴附于肘部检测到 ±0.4 V 的运动信号；置于鞋底下监测步态，行走时产生约 ±1.0 V 信号。在微质量传感测试中，将 0.6、1.0、2.1 g 的螺母从 10 cm 高度自由落下，产生的电压信号随质量增加而递增。
四、结论与研究价值
本研究创新性地提出了一种三层结构 PVDF/Nafion−MXene/PVDF 压电离子—电子薄膜。MXene 在 Nafion 基体中的引入同时实现了辅助质子传输和构建电子传输通道的双重功能，增强了 Nafion/PVDF 界面的电荷积累，加强了界面耦合动力学，显著提升了器件的机电转换效率。同时，MXene 作为有效的成核剂，促进了 PVDF 中 β 相的结晶，提高了复合材料的本征压电性能。优化的 PNMP 膜具有 4.7−867.0 kPa 的宽检测范围、64.5 mV/kPa 的灵敏度、660 mW/m² 的功率密度、0.5 ms 的超快响应时间和 200,000 次击打的优异耐久性。该研究为下一代压电离子—电子压电系统的设计提供了重要的理论指导和实践框架，在柔性电子皮肤、能量收集、振动监测和微质量传感等领域展现了广阔的应用前景。
五、研究亮点
本研究的突出亮点包括：其一，提出了一种免高压极化的自极化策略，仅通过机械弯曲即可实现 PVDF 的宏观极化，简化了器件制造流程；其二，系统阐明了 MXene 在压电离子—电子复合体系中的多重增强机制，涵盖质子传输促进、电子通道构建、界面电荷积累增强和 β 相结晶促进四个方面；其三，实现了宽压力检测范围与高灵敏度、超快响应和长期稳定性的协同优化，在能量收集应用中成功驱动 29 个 LED 并演示了旋转动能收集，验证了实际应用的可行性。