铁掺杂碳量子点增强聚乙烯醇/淀粉/羧甲基纤维素薄膜的结构与介电性能及其先进应用研究

为解决可降解聚合物材料机械性能和介电性能不足的问题，研究人员通过微波辅助法制备铁掺杂碳量子点(Fe-CQDs)，采用流延工艺开发了PVA/S/CMC@Fe-CQDs纳米复合薄膜。研究证实Fe-CQDs的引入显著提升了薄膜的拉伸强度（29.4 MPa）和介电常数，同时接触角从28°增至78°，表明疏水性增强。该材料在柔性电子和能源存储领域具有应用潜力，相关成果发表于《Journal of Renewable Materials》。

　　

在可持续发展材料领域，开发兼具优异机械性能和介电特性的可降解聚合物薄膜是当前的研究热点。聚乙烯醇(PVA)、淀粉(S)和羧甲基纤维素(CMC)等生物基材料虽具有环保优势，但其固有的亲水性、低机械强度和有限的电学性能制约了其在柔性电子、智能包装等高端领域的应用。如何通过纳米改性技术突破这些瓶颈，成为材料科学家亟待解决的难题。

伊拉克巴格达大学教育学院化学系(Department of Chemistry, College of Education for Pure Sciences (Ibn Al-Haitham), University of Baghdad)的Lekaa K. Abdul Karem团队创新性地将铁掺杂碳量子点(Fe-CQDs)引入PVA/S/CMC体系。研究人员采用一步微波法快速制备Fe-CQDs，通过流延工艺构建纳米复合薄膜，系统研究了不同Fe-CQDs含量(0-0.2 g)对材料性能的影响。研究发现，Fe-CQDs的加入使薄膜拉伸强度提升80%，硬度显著增加，同时介电常数和ac电导率(0.723 μS/cm)随频率和填料浓度同步升高。这些突破性进展为开发新一代环境友好型电子器件材料提供了新思路，相关成果发表在《Journal of Renewable Materials》上。

研究团队主要采用微波辅助合成法制备Fe-CQDs，通过FTIR-ATR、XRD和TEM表征其结构；采用流延工艺制备薄膜后，利用SEM-EDX分析形貌，通过万能试验机测试机械性能，并采用LCR测试仪在42 Hz-5 MHz频率范围测定介电特性。

3.1 合成与成膜机制

微波处理石墨/铁混合物(3:1)7分钟成功制备8 nm的Fe-CQDs，TEM显示其球形形貌。XRD在26.3°和54.3°的特征峰证实铁成功掺杂。薄膜颜色随Fe-CQDs含量增加而加深，表明纳米颗粒均匀分散。

3.3 薄膜表征结果

FTIR显示465 cm^-1和557 cm^-1处出现Fe-O键特征峰，证实Fe-CQDs与聚合物基体的化学键合。XRD表明Fe-CQDs使聚合物结晶度改变，在39.7°出现新衍射峰。SEM显示填料均匀分布，EDX检测到0.7 keV铁特征峰。

3.3.4 表面润湿性

接触角从纯聚合物的28°增至含0.2 g Fe-CQDs样品的78°，揭示Fe-CQDs赋予亲水体系疏水特性，这种"疏水岛效应"源于铁原子与聚合物羟基的配位作用。

3.3.5 力学性能

Fe-CQDs使拉伸强度从16.3 MPa提升至29.4 MPa，Young's模量同步增加，但断裂伸长率下降。Shore D硬度测试显示填料含量与硬度呈正相关，最高硬度较空白样提升40%。

3.3.6 介电特性

在1 kHz频率下，电导率从0.261 μS/cm提升至0.723 μS/cm。低频区(10-0.1 Hz)的电极极化现象表明材料具有电荷存储能力，这种频率依赖行为符合幂律(PL)模型。

该研究开创性地将Fe-CQDs应用于生物基聚合物改性，通过铁原子与聚合物链的配位作用构建三维网络结构，同时实现机械增强和介电性能提升。特别值得注意的是，材料在保持生物降解性的前提下，其介电性能已达到部分工程塑料水平，这为开发可降解柔性电子器件提供了新方案。研究者建议未来可探索该材料在超级电容器固态电解质中的应用，并需进一步研究温度对介电性能的影响机制。这项成果不仅拓展了量子点在环保材料领域的应用边界，也为绿色电子器件的发展提供了重要技术参考。