本研究由Bibekananda Nayak、Sharmistha Anwar、Amritendu Roy和Shahid Anwar等人完成，主要作者隶属于印度CSIR-矿物与材料技术研究所（CSIR-Institute of Minerals and Materials Technology）材料化学系、先进材料技术系以及印度理工学院布巴内斯瓦尔分校（Indian Institute of Technology Bhubaneswar）矿物、冶金与材料工程学院。该研究发表于期刊《ACS Applied Electronic Materials》，于2023年11月20日正式刊出，论文标题为《Investigation of 2D-Ti₃C₂Tₓ-Loaded PVDF Composites for a High-Performance Flexible Piezoelectric Energy Harvester and Wearable Sensor》。该研究属于柔性压电能量收集与可穿戴传感领域，旨在通过将二维MXene（Ti₃C₂Tₓ）引入聚偏氟乙烯（PVDF）基体中，提升复合材料的介电、铁电与压电性能，并探索其在自供能可穿戴设备中的应用潜力。
研究背景方面，随着便携式电子设备、无线传感器网络、人工智能、人机交互和物联网等领域的迅速发展，对可持续电源的需求日益迫切。传统电池存在寿命短、环境危害等问题，而生物机械能（如人体运动产生的机械振动）是一种理想的可再生能量来源。压电纳米发电机能够将机械能转换为电能，但现有材料的输出功率密度普遍偏低，限制了其实际应用。PVDF因其柔韧性、化学稳定性和生物相容性而成为常用的压电聚合物，但其压电性能较弱。二维材料MXene（Ti₃C₂Tₓ）具有高导电性、高亲水性和丰富的表面官能团，有望通过界面极化与微电容效应提高PVDF的压电性能。本研究旨在通过改变Ti₃C₂Tₓ填料含量，制备高性能PVDF基压电复合材料，并系统研究其结构、介电、铁电、压电及能量收集性能，以适应可穿戴自供能传感器的需求。
在实验流程方面，研究首先通过化学刻蚀法从MAX相（Ti₃AlC₂）制备Ti₃C₂Tₓ MXene。具体使用40%氢氟酸（HF）在室温下搅拌24小时刻蚀铝层，然后反复用去离子水和乙醇离心洗涤，直至pH达到4.3–5。随后加入二甲基亚砜（DMSO）超声约2.5小时以剥离铝层，再离心去除大颗粒并在60°C下干燥12小时。其次，采用溶液流延法（tape casting）制备PVDF−Ti₃C₂Tₓ复合薄膜。将1.6 g PVDF粉末溶于20 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在60°C、1000 rpm下磁力搅拌至完全溶解，然后缓慢加入研磨后的Ti₃C₂Tₓ粉末，继续搅拌24小时，期间多次超声分散5–10分钟以避免团聚。将混合溶液置于烘箱中蒸发部分溶剂至粘稠状态，随后在玻璃基底上流延成膜，并在80°C下干燥4小时以去除DMF。所得自支撑薄膜在150°C、50 kg/cm²压力下热压15分钟，以提高压电相含量和厚度均匀性。研究制备了Ti₃C₂Tₓ质量分数分别为0、2、4、6和8 wt%的复合材料样品。在表征方面，使用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测官能团和电活性相含量，场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察微观形貌，并借助能谱仪（EDX）进行元素分布分析。介电和阻抗性能使用Hioki IM3570阻抗分析仪在4 Hz至5 MHz频率范围内测试。铁电性能通过P−E电滞回线测量，逆压电系数d33*由双极应变−电场（S−E）曲线线性拟合得到。为评估能量收集性能，研究者制备了尺寸为2 cm×2 cm、厚度50–60 μm的原型器件，用铝电极夹持复合薄膜并以Kapton胶带封装，使用Keithley 6517B静电计测量开路电压和短路电流。测试条件包括不同压缩载荷（5、10、20、50 N）和频率（1、5 Hz），并进一步进行人体手指敲击、肘部弯曲、膝盖弯曲和脚踝运动等实际场景下的输出性能评估。此外，还搭建了由桥式整流器和220 μF电容器组成的电路，将交流信号转换为直流信号以点亮LED，验证实际能量收集能力。
主要研究结果显示，XRD分析表明Ti₃C₂Tₓ的(104)峰消失，（002）等特征峰向低角度移动并展宽，证实了MXene的成功剥离。FTIR光谱显示PVDF中电活性相（β+γ相）含量由纯PVDF的73%提升至添加4 wt% Ti₃C₂Tₓ时的82%，说明适量MXene能够促进PVDF电活性相的成核。介电常数方面，纯PVDF在1 kHz时为12.2，而4 wt%复合材料达到35，增幅约3倍。介电损耗和阻抗谱分析表明，随着Ti₃C₂Tₓ含量增加至4 wt%，电导率上升约31倍，但超过该含量后由于渗流阈值效应和填料团聚，电导率反而下降。漏电流密度在4 wt%时最低，为45.19 μA/cm²，而较高的填料含量导致漏电流增加。铁电测试显示4 wt%复合材料的储能效率最高，达到73.62%，储能密度为23.25 mJ/cm³。逆压电系数d33*从纯PVDF的22.8 pm/V提升至4 wt%复合材料的121.0 pm/V，提升超过5倍。在能量收集测试中，纯PVDF器件在50 N载荷、5 Hz频率下的输出电流和电压分别为39 nA和2.4 V，而4 wt%复合材料器件则达到了60 nA和16 V。功率密度从纯PVDF的5.6 μW/cm³提高至4 wt%复合材料的56.9 μW/cm³，提升约10倍。在人体手指敲击测试中，4 wt%复合材料的输出电压约为8.4 V，是纯PVDF（2.12 V）的约4倍。在不同人体关节弯曲测试中，4 wt%复合材料在肘部120°弯曲时输出5.4 V，手指弯曲时输出1.4 V，膝盖弯曲时输出1.89 V，脚踝运动时输出4.5 V，表明其具有良好的柔性和可穿戴能量收集潜力。此外，利用该器件收集真空泵振动能量并存储于电容器中，成功点亮LED，验证了其在实际机械振动能量收集中的可行性。
结论指出，通过溶液流延法成功制备了不同Ti₃C₂Tₓ含量的PVDF基复合薄膜，4 wt% Ti₃C₂Tₓ为最佳填料浓度。在该浓度下，复合材料表现出最优的介电常数、最低的漏电流密度、最高的储能效率和最大的逆压电系数及输出功率密度。适量Ti₃C₂Tₓ能够增加PVDF中的电活性相含量，增强界面极化并形成微电容网络，从而显著提高压电能量收集性能。然而，过量的Ti₃C₂Tₓ会导致导电网络形成和填料团聚，破坏电活性相并降低输出性能。该研究表明PVDF−4 wt% Ti₃C₂Tₓ复合材料在自供能可穿戴传感器和柔性压电能量收集器方面具有显著的应用价值。
本研究的亮点在于系统研究了Ti₃C₂Tₓ填料含量对PVDF基复合材料介电、铁电和压电性能的影响，首次利用流延法结合热压工艺制备了高性能PVDF−MXene复合薄膜。研究发现4 wt%为渗流阈值，在此浓度下实现了电活性相含量、介电常数、储能效率和压电输出性能的协同优化。该工作不仅揭示了MXene/PVDF界面极化增强压电性能的机理，还通过实际人体运动测试和LED点亮实验验证了其作为自供能可穿戴传感器的可行性，为柔性压电能量收集材料的设计提供了新的思路。