《Materials Science and Engineering: B》：Interfacial interactions in electrospun PVA–MC/MXene nanofibers: A route to enhanced dielectric and antimicrobial properties
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PVA–MC/MXene纳米纤维复合材料通过添加MXene显著提升了纤维形态（直径从214 nm降至86 nm）、热稳定性（降解温度提高至315°C）、介电性能（介电常数达10.5）及生物活性（抗菌效率提升，DPPH清除率53%，抑菌圈扩大）。研究首次利用电纺技术制备该材料，展示了其在能量存储、生物医学和智能传感领域的潜力。
作者：?brahim Erol、?brahim ?smail、?mer Hazman、Kadir Demirelli、Bekir Güney
土耳其阿菲永卡拉希萨尔市03200，阿菲永卡奥泰佩大学科学与艺术学院化学系
摘要
本研究全面探讨了通过将MXene掺入聚乙烯醇（PVA）-甲基纤维素（MC）基质中制备的电纺PVA–MC/MXene纤维纳米复合材料的结构、电学、生物和功能特性。MXene的加入显著改善了纤维的形态，当MXene含量为5 wt%时，平均直径从214 nm降低到86 nm。EDX-MAP分析证实了5 wt%时元素的均匀分布，而在10 wt%时观察到了Ti的聚集现象。表面表征显示亲水性增强，接触角从55.2°降至49.2°，总表面自由能从59.02 mN/m增加到64.33 mN/m。热分析表明稳定性提高，降解起始温度从290°C升至315°C，玻璃化转变温度从110°C升至121°C。当MXene含量为10 wt%时，介电常数（ε'）增加到10.5，这与Maxwell–Wagner–Sillars机制控制的界面极化一致。交流电导率从10^3 Hz时的10^-8 S/cm提高到10^6 Hz时的10^-5 S/cm。在生物方面，DPPH自由基清除效率达到了53%，比原始PVA–MC提高了约20%。抗菌活性也有所增强，对于大肠杆菌（E. coli），抑菌圈从12 mm扩大到15 mm；对于白色念珠菌（C. albicans），抑菌圈从9 mm扩大到14 mm。总体而言，PVA–MC/MXene纳米复合材料表现出优异的介电、热和生物特性，使其成为能源存储、生物医学涂层、伤口敷料、智能传感器和过滤系统等应用的有希望的候选材料。
引言
近年来，由于聚合物纳米复合材料具有可调的介电、机械和表面特性，它们已成为多功能应用的有希望的候选材料。用陶瓷或氧化物填料（如PVA/CMC-SiO2/Cr2O3、PVA–ZnO和PVA-Ag–BaTiO3）增强的PVA基纳米复合薄膜在界面极化和电稳定性方面取得了显著改进[[1]、[2]、[3]]。这些进展促使人们设计了具有增强介电和抗菌性能的混合PVA–MC/MXene系统，其中电纺纳米纤维结构提供了高表面积和强聚合物-填料界面耦合。最近的研究表明，用氧化物纳米填料增强的PVA基纳米纤维复合材料表现出改进的介电和表面特性，展示了电纺技术在生成具有优异电荷传输和界面耦合的均匀纤维结构方面的潜力[4]。
据报道，基于PVA–CA/MC的复合电解质在电致储能（EDLC）应用中实现了高电容值[5]。在PVA–MC–WO3纳米复合材料中，随着MC比例的增加，结晶度降低，而离子传输和介电性能得到改善[6]。此外，用农工来源的MC制备的PVA复合材料表现出高孔隙率（高达86%）、拉伸强度（16.3 MPa）和生物降解性[7]。同样，在基于PVA的塑化质子导电电解质中也观察到了高离子导电性，通过阻抗测量证实这些系统是适合能源存储设备的候选材料[8]。研究离子传输特性的研究表明，PVA–MC基电解质的氧化还原行为和电化学稳定性也得到了改善[9]。还有报道称，MC/CuO纳米复合材料的介电常数增加，为能源存储应用带来了有希望的结果[10]。这些发现表明，MC的添加破坏了PVA的结晶相，形成了更非晶的结构，从而增强了离子传输、介电常数和能源存储性能。
然而，为了克服基于PVA–MC的系统的机械和电学限制，近年来人们一直在密集研究MXene的掺杂。MXene层的高电导率和功能性表面基团（如Ti3C2T3）被认为可以通过与聚合物链建立强界面相互作用来改变纤维形态并提高机械强度[11]。在Sobol?iak等人的研究中，即使电纺PVA–MXene纳米纤维中MXene的含量仅为0.14%，弹性模量也从392 MPa增加到855 MPa，电导率也提高到了0.8 mS/cm[11]。在环境应用中，Zhao等人报道了基于纤维素/MXene/PVA的泡沫结构对亚甲蓝具有239.9 mg/g的高吸附能力[12]。Rakkan等人将MXene整合到壳聚糖/PVA/MC膜中，使杨氏模量增加到55.8 MPa，增强了抗菌活性，并实现了超过90%的槲皮素释放效率[13]。从更广泛的角度来看，Zhou等人的综述将MXene–聚合物纳米复合材料分为六类，表明它们的机械、电学和功能特性在从生物医学到环境技术的广泛领域中具有巨大潜力[14]。这些研究表明，MXene的添加显著增强了PVA–MC系统的机械强度、电导率和功能特性。
目前文献中的大多数研究仅限于薄膜或水凝胶基系统，尚未发现关于通过电纺获得的PVA–MC/MXene基纳米纤维复合材料的研究。然而，由于其纳米纤维形态，电纺技术能够实现高表面积、均匀的填料分布和功能性基团的有效相互作用，从而显著改善了机械、电学和生物功能性。在这方面，我们的研究填补了文献中的空白。据我们所知，这是第一篇关于电纺PVA–MC/MXene纳米纤维的研究，探讨了它们的协同介电和生物性能。本文提供了一种基于电纺的制造策略，并首次在纳米纤维层面应用了PVA–MC/MXene组合。所得到的纳米复合材料不仅在结构和机械强度上优于之前的薄膜和水凝胶基模型，还展示了电纺技术在设计多功能创新材料方面的潜力。
材料
本研究中使用的聚乙烯醇（PVA）（平均分子量：65.000；水解度：约80%）和甲基纤维素（MC，粘度：3.500–5.600 cP，在20°C水中浓度为2%）由Sigma-Aldrich提供。Ti3AlC2 MAX相（前驱材料）也由Sigma-Aldrich提供，用于制备MXene（Ti3C2T3）。用于MXene合成的氢氟酸（HF，30% w/w）、盐酸（HCl，37% w/w）和氟化锂（LiF，98%+纯度）均为分析级。
MXene的表征
采用了多种表征技术来确认MXene的结构。图1a–c展示了合成MXene的形态和结构特性。SEM图像（图1a）显示了典型的手风琴状层状结构。在层边缘观察到的皱纹和分离表明，在去除Al层后结构成功剥离。EDX光谱（图1b）证实了材料的元素组成。
结论
电纺PVA–MC/MXene纳米复合材料在多个功能领域表现出显著的协同改进。加入5 wt%的MXene后，平均纤维直径从214 nm降低到86 nm，确保了元素的均匀分散。表面亲水性显著增强，接触角从55.2°降至49.2°，总表面自由能从59.02 mN/m增加到64.33 mN/m。热稳定性显著提高——降解起始温度
CRediT作者贡献声明
?brahim Erol： 形式分析、数据管理。?mer Hazman： 研究、数据管理。Kadir Demirelli： 研究、数据管理。Bekir Güney： 数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了阿菲永卡奥泰佩大学科学研究项目协调单位的支持。项目编号为25.FENED.05。
