MXene增强复合柔性压电纳米发电机的输出性能研究

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Boosting piezoelectric output performance of composite flexible piezoelectric nanogenerators via incorporation of MXene

本研究针对压电纳米发电机(PENG)输出性能不足的问题，通过引入二维导电材料MXene到BT@F/PVDF压电纤维中，开发出高性能BT@F/MXene/PVDF PENG。研究发现MXene可增强局部电场，促进β相形成(达95%)，提高压电系数d33(48.7±3 pC/N)，使输出电压提升至4.9V，为传统器件的2倍。该工作为可穿戴设备能源供应提供了新方案。

　　

随着可穿戴电子设备的快速发展，如何为其提供持续稳定的能源供应成为亟待解决的关键问题。传统的刚性电池存在容量有限、安全性差和处置成本高等固有缺陷，无法满足可穿戴设备长期使用的需求。在这一背景下，能够将机械能转化为电能的压电纳米发电机(PENG)因其优异的能量转换能力而备受关注。

压电纳米发电机通常采用压电陶瓷和压电聚合物两相复合材料的制备策略，然而这两种材料在介电常数上存在巨大差异——聚偏氟乙烯(PVDF)的介电常数仅为8-12，而钛酸钡(BT)的介电常数高达300-3700。这种差异导致在极化过程中压电陶瓷无法实现均匀极化，从而严重影响压电输出性能。因此，如何进一步提高压电纳米发电机的性能，使其能够满足实际应用需求，成为研究人员面临的重要挑战。

在这一背景下，浙江纺织服装职业技术学院的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上发表了一项创新性研究。他们通过将新型二维导电材料MXene引入到压电纤维中，成功开发出具有优异输出性能的BT@F/MXene/PVDF压电纳米发电机。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过静电纺丝技术制备复合压电纤维，利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行形貌表征，采用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析晶体结构和相组成，使用标准静态d₃₃测量仪测定压电系数，并通过铁电测试仪记录极化回线。

3.1. MXene的形貌和结构

研究人员通过选择性蚀刻Ti₃AlC₂制备了MXene(Ti₃C₂T_x)样品。SEM和TEM分析显示，制备的少层二维MXene样品具有较大的比表面积和丰富的官能团，XRD图谱在2θ=9°处出现明显衍射峰，证实了二维MXene的成功合成。

3.2. BT@F/MXene/PVDF压电纤维的形貌和结构

通过静电纺丝工艺制备的BT@F/MXene/PVDF压电纤维表面光滑无珠状物，且纤维直径随着MXene含量的增加而减小。TEM图像显示BT@F纳米颗粒和二维MXene在PVDF中沿纤维轴方向分散。XRD分析表明PVDF的β相是主要存在晶相，FT-IR结果显示当MXene含量为1.5wt%时，β相含量达到95%。压电系数d₃₃值在MXene含量为1.5wt%时达到48.7±3 pC/N。

3.3. BT@F/MXene/PVDF PENG的压电性能

极化-电场(P-E)磁滞回线测试显示，BT@F/MXene/PVDF压电纤维的剩余极化强度达到3.41μC/cm²，显著高于BT@F/PVDF的1.15μC/cm²。当MXene含量为1.5wt%时，器件在1.5Hz频率下获得最佳输出电压4.9V。循环稳定性测试表明，经过1250次循环后输出电压仍保持稳定。表面电导率和体积电导率测量显示，适量MXene的加入可提高纤维表面电导率，促进感应电荷的传输。

研究人员还通过COMSOL有限元分析验证了MXene的增强机制。模拟结果显示，MXene的引入在纳米纤维内部产生了更高的压电势，证实了MXene能够放大局部电场效应并产生更多感应电荷。与零维碳黑(CB)和一维碳纳米管(CNT)的对比实验表明，二维MXene因其更大的比表面积和丰富的官能团而表现出更优异的压电增强效果。

在实际应用测试中，BT@F/MXene/PVDF PENG在手腕弯曲、呼吸振动、膝盖压迫和鞋底踩压等人体运动场景下均能产生稳定的电压输出，最高达到1.80V。通过整流电路，该器件成功驱动了电子表等小型电子设备，展示了其在可穿戴设备供能方面的应用潜力。

本研究成功开发了一种基于BT@F纳米颗粒和二维MXene协同增强的高性能压电纳米发电机。MXene的引入显著提高了压电纤维的β相含量和压电系数，使器件输出电压提升至4.9V，且具有良好的循环稳定性。与其它维度的碳材料相比，二维MXene因其独特的结构和表面特性而表现出更优异的性能增强效果。该研究为开发高效可靠的可穿戴设备能源供应系统提供了新思路，在运动监测、机械能量收集等领域具有广阔的应用前景。