本研究由西南交通大学的Jieling Zhang、Tao Yang、Guo Tian、Boling Lan、Weili Deng、Yong Ao、Yue Sun、Wanghong Zeng、Xiarong Ren、Long Jin、Weiqing Yang等人，以及奥克兰大学的Lihua Tang和中铁二院工程集团有限责任公司的Zhaoyu Li共同完成。该研究成果于2023年11月3日在线发表于Advanced Fiber Materials期刊，论文标题为“Spatially Confined MXene/PVDF Nanofiber Piezoelectric Electronics”。

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）纳米纤维因其优异的柔韧性、生物相容性和易加工性，被认为是最具应用前景的压电材料之一。PVDF的压电性主要来源于全反式构象的β相，其偶极子垂直于分子链轴排列，从而产生最大的自发极化强度。然而，传统静电纺丝方法制备的PVDF纳米纤维中，偶极子排列往往受到限制，导致β相含量不足，压电性能难以进一步提升。为了改善这一问题，研究者通常将填料引入PVDF基体，通过填料与PVDF之间的静电相互作用和氢键作用促进偶极子定向排列，但离散分布的填料表面官能团有限，界面相互作用较弱，仍然难以实现理想的偶极子排列。此外，单纯依靠微观结构设计虽能在一定程度上增强纳米纤维变形能力，却可能破坏晶相稳定性，无法稳定生成具有电活性的β相。因此，如何在增强填料与PVDF相互作用的同时保持稳定的晶相结构，成为提升PVDF纳米纤维压电性能的关键挑战。

针对上述问题，本研究提出了一种将填料掺杂与微观结构设计相结合的策略，构建具有空间限域结构的MXene/PVDF复合纳米纤维。研究采用二维MXene纳米片作为功能填料，通过静电纺丝将其限制在纳米纤维通道内部，利用MXene表面丰富的官能团与PVDF分子链之间形成氢键和相容性相互作用，从而锁定分子偶极子，促进β相的形成和稳定。研究首先通过化学刻蚀Ti₃AlC₂制备了Ti₃C₂Tₓ MXene粉末，然后将不同质量分数（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.5%、2%）的MXene分散于PVDF溶液中，通过静电纺丝制备了MXene/PVDF复合纳米纤维膜。静电纺丝过程中，MXene的加入提高了前驱体溶液的电导率，增强了电场极化效应和机械拉伸作用，有利于PVDF分子链的定向排列。同时，MXene纳米片被限制在纳米纤维内部，形成了空间限域结构，显著增强了MXene与PVDF之间的界面相互作用密度。通过场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察发现，MXene纳米片均匀嵌入PVDF基体中，纳米纤维直径随MXene含量增加而减小，平均直径在100至400纳米之间。X射线衍射和X射线光电子能谱分析证实了MXene表面存在–F、–O和–OH官能团，且这些官能团与PVDF分子链之间形成了氢键和相容性相互作用，有利于PVDF偶极子的定向排列。

为了揭示MXene对PVDF晶相结构的影响，研究采用傅里叶变换红外光谱和差示扫描量热法对纳米纤维膜进行了表征。结果表明，纯PVDF膜中β相比例为82.18%，而加入MXene后β相比例最高可达到89.71%。同时，纯PVDF膜的结晶度为51.32%，MXene/PVDF复合膜的结晶度最高达到55.85%。通过计算β相含量可知，纯PVDF膜的β相含量为42.17%，在0.8 wt% MXene添加量时达到最大值50.1%，超过该添加量后β相含量逐渐下降。这一结果表明，适量的MXene能够有效促进PVDF的β相转变和结晶度提升，但过量的MXene会破坏纳米纤维的限域结构，导致β相含量下降。

为评估MXene/PVDF纳米纤维膜的压电性能，研究将其制成直径为16毫米的压电器件，并在200 kPa压力、1.5 Hz频率和0.5 m/s²加速度条件下测试其电学输出。结果显示，0.8 wt% MXene添加量的压电器件具有最佳电学性能，最大开路电压达到3.15 V，最大短路电流达到134 nA，分别是纯PVDF纳米纤维器件的3.97倍和10.1倍。值得注意的是，不同MXene含量器件的压电输出趋势与β相含量趋势并不完全一致，这表明压电性能的增强不仅来源于β相含量的提高，还来源于空间限域结构带来的额外贡献。研究进一步提出了非限域结构和空间限域结构的对比模型：当MXene纳米片分散在纳米纤维外部时，其与PVDF之间的相互作用密度较低；而当MXene被限制在纳米纤维通道内部时，高度富集的MXene与PVDF分子链之间的相互作用密度显著提高，同时PVDF链在二维MXene纳米片表面产生局部锚定效应，共同促进了偶极子的最佳排列和自发极化的增强。当MXene含量超过0.8 wt%时，纳米纤维直径进一步减小，无法完全包裹MXene纳米片，复合体系转变为非限域结构，同时MXene纳米片的堆积和接触形成导电逾渗路径，抑制了压电输出性能。

在压力传感性能方面，0.8 wt% MXene/PVDF压电器件在2–200 kPa压力范围内表现出良好的线性响应特性，低压力区（小于115 kPa）的灵敏度为18.45 mV/kPa，高压力区（115–200 kPa）的灵敏度为7.35 mV/kPa。阻抗匹配测试表明，该器件在负载电阻为30 MΩ时可输出43.59 nW的峰值功率。此外，器件在5000次循环测试中输出信号没有明显波动，展示了优异的长期稳定性。力学性能测试显示，加入MXene后纳米纤维膜的杨氏模量从1.1 MPa提高到19.4 MPa，抗拉强度从1.4 MPa提高到6.2 MPa，表明空间限域的MXene能够作为应力集中点，将纳米纤维分割成多个片段，从而大幅提升复合材料的力学性能。

在应用方面，0.8 wt% MXene/PVDF压电器件被制作成双功能电子器件，用于人体运动监测和能量收集。器件能够区分单击、双击和三击等不同手指敲击模式，也能监测行走、跑步和跳跃等不同运动状态，其中跳跃时最大输出电压可达135 V。此外，器件可贴附于手指、手腕和手臂等部位，检测不同弯曲角度下的输出信号，最大输出电压分别为0.3 V、0.8 V和3.1 V。能量收集实验表明，该器件可通过整流桥将交流输出转换为直流信号并存储于电容器中，0.1 µF电容器可在700秒内充电至1.1 V，而纯PVDF器件在相同时间内仅能充电至0.15 V。

本研究通过构建空间限域结构的MXene/PVDF复合纳米纤维，成功解决了传统PVDF纳米纤维偶极子排列受限和晶相稳定性差的问题。二维MXene纳米片在纳米纤维通道内的空间限域作用显著增强了其与PVDF分子链之间的界面相互作用密度，促进了PVDF偶极子的定向排列和稳定β相的形成，从而大幅提升了压电性能。该研究不仅揭示了空间限域结构对压电复合材料性能增强的机制，还为高性能柔性压电纳米纤维的开发提供了新的设计思路，在可穿戴电子器件、生物医学监测和能量收集等领域具有重要的应用前景。