对高性能可穿戴压电纳米发电机（PENGs）的追求加强了对聚偏二氟乙烯（PVDF）的关注。传统上，由于压电活性β相难以均匀分布，导致材料特性多变，器件性能不一致，阻碍了纳米纤维中压电响应的优化。

基于此，西南交通大学杨维清教授等人提出了一种新颖的 PVDF/MXene 纳米纤维受限取向结构，在不牺牲柔韧性的情况下显著提高了机电性能。通过将 MXene 掺入 PVDF 基体中，成功地诱导了β相的形成，实现了 61.7 pC/N 的压电系数。这种集成促进了材料和结构的协同增强，导致 MXene 纳米片在纤维内的高度定向和限制，从而优化了力传递并增强了能量收集能力。因此，基于纳米纤维的 PENG 表现出 14 ms 的出色响应时间和高达 19.29 mV/kPa 的压力灵敏度。相关研究成果以“Confined orientation PVDF/MXene nanofibers for wearable piezoelectric nanogenerators”为题目，发表在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。

图1格斗运动监测用PENGs的概念与设计。(a)通过PENGs监测压缩和弯曲运动信号的示意图。(b)关节处可穿戴式PENG阵列的数字图像和示意图。(c)压电纳米纤维设计和结构设计示意图。(d)增强复合材料压电性的定向结构和空间约束结构示意图。

纤维取向度如何影响 PENG 的性能？

取向度越高（如转速 2000 rpm 时有效取向率 85.07%），β 相比例越高（62.50%），分子链排列更有序，促进偶极子定向排列，使压电系数提升至 61.7 pC/N，响应时间缩短至 14 ms。

该 PENG 在实际应用中的独特优势是什么？

多功能性：既能收集机械能（如搏击动作能量），又能通过信号差异区分不同动作类型。

穿戴适应性：透气率 1700 g・m⁻²・d⁻¹，厚度仅 139 μm，兼具柔韧性与力学强度（拉伸强度 38.27 MPa），适合长期穿戴。

阵列扩展性：PENG 阵列可实现压力分布可视化，适用于需要多维感知的场景（如运动生物力学分析）。

图2结构设计表征。(a)不同转速下制备的纳米纤维的SEM图像。(b)由(a)得出的不同转速下制备的纳米纤维的FT图像。(c)由(a)得出的不同转速下制备的纳米纤维的相对角度分布函数。(d)有效取向纤维的比例。(e)在不同转速下制备的纳米纤维的2D-SAXS图。(f) MXene/PVDF纳米纤维的HD-TEM图像。

图3 MXene/PVDF纳米纤维膜的表征。(a)显示膜力学顺应性的数字图像。(b)不同转速下制备膜的XRD谱图。(c)不同转速下制备膜的FTIR光谱。(d)说明膜各向异性力学性能机理的示意图。(e)不同转速下制备膜的应力-应变曲线。(f)不同转速下制备膜的力学性能比较。(g)不同转速下制备膜的透湿性测量。(h)不同转速下制备膜的压电系数。(i)不同转速下制备膜的综合比较。

图4基于纳米纤维膜的PENG的电学性能。(a)制造的PENG的爆炸视图。(b) PENG的数字图像。(c) PENG的响应时间和恢复时间。(d)由膜制成的peng的电压输出和(e)电流输出(f) S-2000样品的正向和反向连接的测量输出。(g)PENG的灵敏度。(h) PENG耐久性试验。

图5在各种作战动作能量采集和信号监测中的应用(a)水平踢腿、(b)向下踢腿、(c)向上踢腿的原理图、数字图像及相应信号。(d) PENG阵列检测箱体示意图。(e) PENG阵列检测盒对应的电压信号。(f) PENG阵列中各单元的电流响应。(g) PENG阵列检测前臂阻挡向上踢腿的示意图和数字图像。(h)测量(g)中对应的两种压电响应模式示意图。(i)测量(g)中对应的电压输出。

总之，该研究设计了一种具有受限取向结构的 MXene/PVDF 压电薄膜，用于增强型压电纳米发电机（PENG）。结构表征结果证实，成功构建了受限取向结构，薄膜表现出高度的取向性，且 MXene 纳米片在纤维中实现了良好的限域。结合材料表征结果可知，受限取向结构赋予了薄膜优异的压电性能，以及对外界刺激响应的取向选择性。通过电学性能测试，薄膜展现出典型的压电纳米发电机特性和出色的传感性能。通过监测踢腿动作，验证了该压电纳米发电机对搏击动作具有有效的响应能力，并有潜力区分不同的动作。最后，制备了压电纳米发电机阵列以探索其在压力分布监测中的应用。这项工作为相关领域提供了有价值的结构设计思路和材料设计视角。

原文链接：https://doi.org/10.1039/d4ta08879d