表面功能化MXene墨水制备可水洗智能电子纺织品及其卓越气敏性能研究

针对MXene基电子纺织品(e-textiles)易氧化、洗涤稳定性差及气敏功能缺失等问题，研究人员通过多巴胺偶联羧甲基纤维素(CMC-DA)功能化Ti3C2Tx MXene墨水，开发出兼具NO2/湿度传感、焦耳加热和触觉感知的多功能可水洗电子纺织品，为可穿戴健康监测提供新范式。

　　

随着物联网和个性化医疗的发展，电子纺织品(e-textiles)因其将柔性织物特性与电子功能融合的独特优势，成为可穿戴技术的研究热点。然而，现有技术面临三大瓶颈：传统导电材料(如金属纳米线、碳纳米管)难以兼顾高导电性与气体敏感位点密度；二维材料MXene虽具备优异导电性和表面活性，但其易氧化特性和弱纤维粘附性导致洗涤稳定性差；此外，实现e-textiles对有毒气体(如NO₂)的灵敏检测仍具挑战。

韩国研究人员在《Materials Today》发表的研究中，创新性地采用多巴胺偶联羧甲基纤维素(CMC-DA)对Ti₃C₂T_x MXene进行表面修饰，通过垫干法和浸涂法分别制备棉/麻基CMC-DA-MXene电子纺织品。该研究通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了气敏机制，并系统评估了材料的氧化稳定性、洗涤耐久性及多功能特性。

关键技术方法包括：1) 碳二亚胺化学法合成CMC-DA配体；2) 氢键介导的CMC-DA-MXene墨水制备；3) 基于棉/麻纤维差异结构的定向功能化(棉用于焦耳加热/触觉传感，麻用于气敏)；4) DFT模拟NO₂/湿度分子与CMC-DA的相互作用机制。

【Preparation and characterization of CMC-DA-MXene ink】
FTIR和UV-vis证实CMC-DA成功合成，其1642 cm^-1处N-H键特征峰表明多巴胺的氨基与CMC羧基共价结合。CMC-DA-MXene墨水保持MXene本征导电性(电导率>1000 S/m)，XPS显示Ti₃C₂T_x表面-OH/-F基团与CMC-DA形成氢键网络，使MXene氧化起始温度提升47℃。

【Gas sensing performance】
麻基e-textiles对10 ppm NO₂的响应度达21.7%，响应/恢复时间仅85/128秒。DFT计算表明CMC-DA的儿茶酚头基与NO₂形成强电荷转移络合物(-0.38 eV结合能)，而CMC尾基通过氢键捕获水分子，实现湿度传感(ΔR/R₀=15%@90%RH)。

【Joule heating and mechanical sensing】
棉基e-textiles在5V电压下3秒内升温至110℃，经50次洗涤后电阻仅增加12%。其压阻特性使织物能监测手指弯曲(ΔR/R₀=320%)和0.1-5 kPa压力(灵敏度1.34 kPa^-1)，归因于CMC-DA增强的MXene片层密实化结构。

【Washability and oxidation stability】
加速氧化测试显示CMC-DA-MXene在潮湿环境中保持90%初始电导率(裸MXene仅30%)。洗涤50次后气敏性能衰减<15%，得益于CMC-DA配体双重作用：隔绝水/氧分子渗透，同时通过匹配纤维素表面能实现强力粘附(剥离力提升8倍)。

该研究通过分子工程策略解决了MXene基e-textiles的稳定性与功能集成难题。CMC-DA配体不仅作为"分子胶"增强材料耐久性，其特异性相互作用位点更赋予e-textiles多模态传感能力。这种"一材多能"设计为开发下一代智能纺织品提供了普适性框架，尤其在职业健康监测(如化工防护服)、老年护理(居家健康预警)等领域具有重要应用前景。研究首次实现MXene纺织品在真实洗涤条件下的长期稳定性，并通过理论计算-实验验证相结合的方式阐明了气敏机制，为功能性二维材料的设计提供了新思路。