界面稳定的MXene/纳米纤维薄膜用于集成热电传感与电磁干扰屏蔽

《Journal of Materials Science & Technology》：Interface-stabilized MXene/nanofiber film for integrated thermoelectric sensing and electromagnetic interference shielding

　　

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  开发了一种界面稳定化的MXene/PEDOT:PSS纳米纤维膜。
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  该膜实现了0.07 K分辨率、～410 ms响应时间的热电传感。
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  该膜实现了以反射为主导衰减机制的～44 dB X波段电磁屏蔽效能。
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  经过5000次弯曲循环和3个月的暴露后，屏蔽性能保持稳定。
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  面电阻变化可实现屏蔽状态健康反馈和失效风险预警。

引言

物联网、可穿戴电子设备和智能医疗系统的快速增长催生了对兼具生理监测与防护功能的柔性接口的需求[[1], [2], [3], [4], [5]]。这一点对于在高压输电和变电站环境中工作的人员尤为重要，他们需要在获得电磁防护的同时监测呼吸和体温[[6], [7], [8], [9]]。传统的屏蔽服装搭配独立传感器会增加设备厚度、重量和不适感。热电器件可将微小的体温梯度转化为自供电电信号[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]，但无法抑制外部电磁干扰（EMI）。相反，屏蔽材料虽能提供防护，却无法报告生理状态。因此，需要一种兼具热电温度传感与电磁屏蔽功能的单一柔性材料，以实现安全可靠的穿戴健康监测。

电纺纳米纤维膜因其高比表面积、多孔性和互联纤维架构而在柔性传感器领域备受关注[[17], [18], [19], [20]]。为赋予其导电性和传感能力，通常会在电纺过程中引入功能组分，或在纳米纤维网络制备完成后沉积功能材料[[21], [22], [23]]。然而，机械性能良好的柔性纳米纤维膜（如热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维膜）本质上具有疏水性，导致其与亲水性导电材料之间的界面相容性较差[24,25]。反复变形可引起涂层开裂和剥离，破坏导电通路和传感稳定性。因此，在纳米纤维表面建立强而持久的界面结合是实现可靠多功能集成的前提条件[26]。

二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（统称MXenes）已成为高性能电磁屏蔽和柔性电子领域极具前景的材料[[27], [28], [29], [30], [31]]。其中，Ti₃C₂T_x MXene兼具金属级电导率、丰富的表面终止基团和优异的亲水性[[32], [33], [34]]。然而，纯MXene膜在宏观尺度上机械性能脆弱，不适合频繁变形[[35], [36], [37], [38]]。更为严峻的实际限制在于，在含氧潮湿环境中活性MXene边缘的自发性氧化——导电的Ti₃C₂T_x可能被转化为绝缘的TiO₂[[39], [40], [41], [42]]。该过程会迅速劣化导电输运和屏蔽通路。因此，人们探索了保护性聚合物层作为物理屏障，以减少环境暴露并提高导电屏蔽网络的耐久性[43]。现有的稳定化策略，包括聚合物共混和表面钝化，虽可减缓氧化，但往往引入绝缘屏障，阻碍片间电子传输，从而降低导电性和电磁屏蔽效率。此外，在长期弯曲或磨损过程中，微观导电网络的疲劳降解往往肉眼不可见。目前很少有柔性电磁屏蔽材料能够整合原位诊断或早期预警机制来实时追踪其服役状态。

本文通过在TPU/F127膜上组装MXene和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），经聚乙烯亚胺（PEI）活化及二甲基亚砜（DMSO）辅助界面工程固化，开发了一种界面稳定化的TFMPD纳米纤维膜。该膜对微小温度变化表现出可区分的热电电压响应，温度分辨率为0.07 K，响应时间为～410 ms。该膜展现出～44 dB的X波段电磁屏蔽效能（EMI SE），以反射为主导的衰减机制，并在5000次弯曲循环和长期环境暴露后保持稳定。此外，面电阻与电磁屏蔽衰减之间的相关性为严重屏蔽性能劣化提供了物理依据，该指标进一步与热电信号分析集成，用于穿戴使用过程中的屏蔽状态识别。

各章节摘要

结果与讨论

为实现同时提供热电传感和电磁屏蔽功能的穿戴设备，我们设计了一种柔性TFMPD纳米纤维膜，其中两种功能均由同一导电网络支撑（图1(a)）。TFMPD膜由含PEI改性纤维的多孔TPU/F127纳米纤维膜和表面富集的MXene/PEDOT:PSS导电区域组成。多孔纳米纤维膜为导电层的依次组装提供了柔韧性和界面面积。

结论

总之，我们通过PEI活化和DMSO辅助界面工程，将MXene/PEDOT:PSS与TPU/F127纳米纤维膜集成，构建了界面稳定化的TFMPD纳米纤维膜。共享的导电网络实现了0.07 K温度分辨率和～410 ms响应时间的热电传感，同时提供了～44 dB的X波段电磁屏蔽效能。该膜在5000次弯曲循环后保持了稳定的传感和屏蔽性能，并在暴露后保留了大部分屏蔽

CRediT作者贡献声明

刘文迪（Wendi Liu）：撰写 – 原稿，软件，方法学，调查研究，形式分析，概念构思。李昭桐（Zhaotong Li）：软件，方法学，调查研究，形式分析，概念构思。王远多（Yuanduo Wang）：软件，方法学，调查研究，形式分析，概念构思。王锦涛（Jintao Wang）：可视化，数据整理。李振（Zhen Li）：可视化。李成祖（Chengzu Li）：形式分析。史云鹤（Yunhe Shi）：可视化。李依璇（Yixuan Li）：数据整理。何欣阳（Xinyang He）：撰写 – 审阅与编辑，资源，项目

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到国家自然科学基金（编号：52373069）的资助。

刘文迪|李昭桐|王远多|王锦涛|李振|李成祖|史云鹤|李依璇|何欣阳|张洪南|王黎明