高性能压电纳米复合材料，由聚偏二氟乙烯-三氟乙烯与二维晶体铁电硫属凝胶组成

《SCIENCE ADVANCES》：High-performance piezoelectric nanocomposite of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) with 2D crystalline ferroelectric chalcogel

二维结晶Na-Mn-Sn-S chalcogel作为高效纳米填料提升P(VDF-TrFE)压电性能，0.5 wt%填充量使输出电压达纯PVDF-TrFE三倍，并验证了离子偶极界面作用对晶相调控的机理。

　　### 解读：二维结晶性钠-锰-锡-硫硫化物（NMSC-1）在压电复合材料中的卓越表现

在当今科技迅速发展的背景下，压电材料因其能够将机械能转化为电能的特性，受到了广泛关注。这些材料在传感器、能量收集装置以及柔性电子设备中具有重要应用价值。然而，传统压电材料往往受到结构复杂性、材料不稳定性以及低结晶度等限制，导致其性能受限。为此，研究者们探索了新型二维压电材料，试图突破这些瓶颈。本研究聚焦于一种名为NMSC-1的二维结晶性钠-锰-锡-硫硫化物（Na-Mn-Sn-S chalcogels），其在压电特性方面展现出前所未有的优越性，并被成功应用于聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）基体中，显著提升了压电性能。

NMSC-1是一种由[Sn?S?]??与Mn2?以1:0.5的摩尔比组成的二维结构。与传统材料相比，它不仅保持了良好的结晶性，还具有独特的无序网络结构，这使其在机械变形时能够表现出显著的压电效应。通过实验研究，我们发现NMSC-1的二维晶体结构在维持其原有特性的同时，能够有效增强其压电响应。这种结构的创新性使其成为一种极具潜力的新型压电材料，为未来的柔性传感器和能量收集装置提供了新的可能性。

在将NMSC-1作为填料引入P(VDF-TrFE)基体后，我们观察到其对基体材料的显著影响。NMSC-1不仅提升了P(VDF-TrFE)的β相含量，还促进了其结晶过程。β相是P(VDF-TrFE)中负责压电效应的主要结构相，其含量的增加意味着材料在机械刺激下能够产生更强的电响应。通过使用压电响应力显微镜（PFM）等手段，我们进一步验证了NMSC-1的优异压电性能。结果显示，NMSC-1在0.5 wt%的填料含量下，能够使P(VDF-TrFE)/NMSC-1复合材料的压电输出电压达到纯P(VDF-TrFE)的三倍，这一发现对推动新型压电材料的发展具有重要意义。

我们还对比了其他类型的二维纳米材料，如钠-锰-锡-硫（NMS）、镁铝层状双氢氧化物（MgAl LDHs）和SnS?纳米花（NFs），发现NMSC-1在提升压电性能方面具有明显优势。其他材料由于结构不均匀或缺乏有序性，导致其在复合材料中的表现不如NMSC-1。此外，NMSC-1的二维晶体结构在与P(VDF-TrFE)结合后，能够促进界面离子-偶极相互作用，这种相互作用不仅增强了材料的稳定性，还提高了其在外部电场下的响应能力。

进一步的实验表明，NMSC-1的高结晶度和较大的层间距有助于增强其内部偶极子的排列和响应。当NMSC-1含量增加时，其对P(VDF-TrFE)的促进作用逐渐减弱，这可能是因为材料的聚集导致了偶极子排列的混乱。因此，研究者们在优化填料含量时，特别关注0.5 wt%这一比例，它在保持材料均匀分散的同时，实现了最佳的压电性能。

除了压电性能的提升，NMSC-1还表现出良好的电学特性。通过差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，我们发现NMSC-1能够显著提升P(VDF-TrFE)的β相含量，同时不影响其原有的电学稳定性。这些特性使得NMSC-1成为一种理想的填料，能够有效提升复合材料的性能。

在实际应用方面，我们成功构建了一种基于P(VDF-TrFE)/NMSC-1复合材料的压电传感器，并在水下测试中表现优异。该传感器在不同强度的超声波刺激下，均能产生显著的输出电压，显示出其在能量收集和传感领域的广泛应用前景。这些结果不仅验证了NMSC-1的优异性能，也为后续研究提供了新的方向。

综上所述，本研究揭示了NMSC-1作为一种新型二维压电材料的独特优势。其优异的压电性能、良好的结晶度以及与P(VDF-TrFE)的协同效应，使其在柔性电子设备、传感器和能量收集系统中具有巨大的应用潜力。未来，随着对这种材料的深入研究，有望开发出更多高性能的压电复合材料，推动相关技术的进一步发展。