PAN/MXene压电纳米纤维：一体化自充电超级电容器的创新压电材料与智能隔膜设计

来自前沿材料科学领域的研究人员开发了一种基于碳化聚丙烯腈/MXene（C-PMX）纳米纤维的自充电压电超级电容器（SCPS），该器件集成了PMX纳米纤维隔膜与PVA/KOH凝胶电解质，成功解决了集成化自供电储能系统的技术瓶颈。研究显示，含3% MXene的压电纳米发电机（PNG）输出性能达9.9 V、1124 nA和9.6 μW cm?2，SCPS器件比电容为100.5 F g?1，能量密度5 Wh kg?1（功率密度300 W kg?1），且能在0.2秒内快速充电至250 μV。该研究为未来自驱动电子设备的一体化能量收集与存储提供了新范式。

　　

一体化自充电设备与集成储能系统已成为当前研究的瓶颈之一。针对这一方向，本研究提出了一种新型自充电压电超级电容器（SCPS, self-charging piezo-supercapacitor），其核心结构包括碳化聚丙烯腈/MXene（C-PMX, carbonized polyacrylonitrile/MXene）纳米纤维电极、PMX纳米纤维隔膜以及聚乙烯醇/氢氧化钾（PVA/KOH）凝胶电解质。

研究首先独立分析了PMX材料的能量采集特性及其在自充电储能中的表现。结果显示，含3% MXene的压电纳米发电机（PNG, piezoelectric nanogenerator）实现了最优输出性能：开路电压9.9 V，短路电流1124 nA，功率密度达9.6 μW cm^?2。基于该材料的SCPS器件表现出100.5 F g^?1的比电容，在300 W kg^?1功率密度下能量密度为5 Wh kg^?1，并具有92%的电容保持率。

通过压缩和敲击实验进一步评估自充电行为，发现SCPS-CF（可能指碳纤维增强型）可在0.2秒内快速充电至250 μV，而放电时间约为1.5秒。研究还深入探讨了压电隔膜在压电-电化学转换中的作用，以及SCPS-NF（可能指纳米纤维型）中的整流机制。这项研究为未来自驱动电子器件中能量收集与存储的一体化集成提供了创新思路和实验依据。