聚丙烯腈（PAN）纳米纤维因兼具高柔韧性、易加工性及显著压电效应，被视为替代传统聚偏氟乙烯（PVDF）的新一代智能材料，在柔性传感、自供电电子等领域极具潜力。然而，不同文献报道的PAN纳米纤维压电性能差异可达数量级，严重制约其标准化应用进程。究其根源，原料来源对材料本征压电特性的调控机制尚未明晰，成为领域内长期悬而未决的关键科学问题。
针对此挑战，天津工业大学王红霞教授、林童教授团队联合河南大学常海波教授团队在《Journal of Materials Chemistry A》发表题为“Source-Dependent Piezoelectricity of Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers: From Molecular Conformation to Energy Harvesting Performance”的研究论文。该工作首次建立PAN原料来源-分子构象-固态结构-压电性能的全链条构效关系，为高性能压电材料理性设计提供全新策略。
研究团队选取Sigma-Aldrich、J&K Scientific等五家国际供应商的PAN原料，在严格控制参数条件下制备形貌均一（纤维直径≈330 nm，厚度≈60 μm）的纳米纤维膜，系统探究分子量分布、分子结构、固体状态下的分子构象、不纯物含量、压电输出、介电性质、吸水性、表面电荷和拉伸强度等参数的协同影响。
研究发现：在相同的作用力条件下，不同来源PAN所制备的纳米纤维膜的压电器件开路电压相差高达4.6倍，输出功率相差15倍。其中，来自Sigma-Aldrich的PAN所制备的纳米纤维膜的压电性能最优，Voc峰顶-峰谷（Voc-pp）值达84.3 V，而用Macklin的PAN所制备的纳米纤维膜的输出性能最低，Voc-pp仅18.5 V。它们在压电系数d33上表现出类似的趋势。常规醇溶液方法去除薄膜表面静电荷后，不仅不会影响压电输出，甚至会造成Voc-pp增加。
图1：a) 静电纺丝设备示意图；b) 典型的静电纺PAN纳米纤维的形貌 (比例尺：1 μm), c) 直径分布直方图；d) 压电器件结构, e) 能量转换测试示意图；f-h) 压电输出和i) 功率~负载(P~R)曲线。PAN来源：SA (Sigma-Aldrich)、JK (J&K Scientific)、AL (Aladdin)、MA (Macklin Biochemical Technology), SP (Spectrum Chemical Manufacturing)
不同来源的PAN纳米纤维在分子结构和组成上存在细微差异。PAN-SA和PAN-JK为均聚物，分子链结构相对单一；PAN-AL、PAN-MA和PAN-SP为共聚物，含有少量丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸等共聚单体，导致分子链极性及规整度发生变化。所有PAN原料均含有微量离子性杂质（如NH₄⁺），但其含量和分布因供应商而异。
不同PAN纳米纤维膜表现出显著不同的亲/疏水性，其中PAN-AL的水接触角最小，水扩散速度最快，表明其表面极性最强。尽管不同PAN原料的分子量及分子量分布存在较大差异，但这些差异并未对静电纺丝过程和纤维形貌产生显著影响。不同来源PAN纳米纤维膜的机械性能（如拉伸强度、模量）差异显著，这可能与分子链排列和纤维内部缺陷有关。然而，它们的介电常数和介电损耗差异较小，表明极化能力主要取决于分子链偶极取向而非宏观力学性能。
图2：PAN纳米纤维膜的a) 初始接触角随时间的动态变化，b)含水量，c)去除残余电荷前后的Voc-pp，d) 介电常数和介电损耗，e)应力-应变曲线，f)杨氏模量，g) 拉伸强度和h) 断裂伸长率。
研究团队发现压电性能差异主要取决于三个关键因素：
分子构象：平面锯齿形构象含量（Φ）仍然是压电活性的主要决定因素，平面锯齿构象含量最高的PAN-SA（Φ=66.1%）展现出最高的压电性能。
共聚单元：共聚单元含量超过>2%会导致压电性能的降低，这可能与共聚物诱导分子间距的扩展，引发晶格畸变，抑制zigzag构象形成有关系。
离子杂质：离子杂质可能会促进平面锯齿形构象的形成，从而增加PAN的压电性能。
研究团队进一步验证了不同PAN纳米纤维膜的应用性能差异，当用于点亮商用LED时，这些器件（PAN纳米纤维膜面积均为5 cm²）能点亮的LED数目有所不同，PAN-SA器件可点亮10个商用LED，性能远超其他原料。给电容器充电时，PAN-SA器件3分钟内可为4.7 μF的电容器充电至3.0 V，充电速率是其他材料的1.2-2倍，凸显工程应用优势。
图3： a) PAN纳米纤维压电器件产生的电能驱动商用LEDs或对电容器充电电路图，b）不同PAN纳米纤维器件点亮最大数量LEDs的照片，c) 对4.7 μF电容器充电过程中的电压~时间变化曲线。
该研究突破传统“工艺主导”的压电材料优化范式，首次揭示原料本征属性对PAN纳米纤维极化效率的级联调控机制，为建立原料-性能数据库、制定行业标准提供理论基石。它将加速新一代高稳定性、低批次敏感性PAN基压电材料的开发，推动柔性电子与能量采集技术向标准化、产业化迈进。
原文链接： https://doi.org/10.1039/D5TA02608C
