Wang Hongzhi/Hou Chengyi/Zhang Qinghong, Donghua University AFM: Zinc-ion crosslinked high-performance MXene fibres usable for multifunctional flexible electronics

柔性电子技术的出现促进了具有优异机械和电气性能的功能纤维的发展。MXenes作为一类新型的二维功能材料，凭借其优异的电学和机械性能、良好的亲水性和丰富的表面基团而得到迅速发展。如何高效连续制备兼具优异机械性能和电学性能的MXene功能纤维对开发下一代可穿戴电子器件具有积极作用。另外，针对当前MXene纤维电极应用场景单一的问题，挖掘其新的应用对于促进纤维状器件的发展具有重要价值。

鉴于此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室的王宏志教授团队以高质量的Ti₃C₂T_xMXene溶液为纺丝液，同时在纤维成型过程中引入二价锌离子做为片层粘结剂，通过湿法纺丝工艺连续构筑出兼具力学和电学性能的全无机功能纤维（图1）。

图1 Zn-MXene纤维湿法纺丝工艺示意图

通过系统的表征（图2），确认了Zn²⁺的引入对于纤维整体性能的提升具有重要作用。主要增强机理在于Zn²⁺可充当片层之间的交联桥，增强了片层之间的相互作用力，从而提高了MXene纤维的机械性能。Zn²⁺在MXene纳米片组装过程中消除表面的静电斥力的同时诱导片层的有序取向，由此得到紧密、有序堆叠的MXene片层结构为电子的传输提供了快速的通道，使得纤维的电学性能得到有效保留。

图2 Zn-MXene纤维的结构表征。

通过调控纺丝过程的参数，获得了性能优异的锌离子交联MXene纤维，其表现出优异的机械强度（150.7 MPa）、高电导率（3637.9 S cm⁻¹）和比电容（1024.7 F cm⁻³）以及良好的机械柔韧性（图3）。

图3 Zn-MXene纤维的机械和电学性能表征。

凭借Zn-MXene纤维本身具有亲水性以及内部有序的片层结构和表面有序的褶皱结构，由MXene纤维编织经PDMS封装后的声压传感器可以实现压力传感信号的两级放大，表现出良好的声电转换能力。该传感器展现出高的灵敏度（280.2 kPa⁻¹）、低检测限（0.1 Pa）以及快速的响应时间（286 ms）和恢复时间（642 ms）。作为实际场景的应用展示，该传感器可以完成对音频的检测和记录，在柔性声学领域展现出潜在的应用价值（图4）。

图4 基于Zn-MXene纤维的声压传感器的性能及其在语音检测和记录中的应用

此外，依托MXene良好的电热转换能力和导电性，Zn-MXene纤维在柔性热管理领域也表现出良好的性能。MXene纤维在不同电压下可在3 s内达到饱和温度，并展示出良好的循环稳定性和长期工作能力（图5）。

图5 Zn-MXene纤维的电热性能。

结论：

综上所述，王宏志团队成功开发了一种利用湿法纺丝工艺和锌离子交联策略来连续构筑具有高抗拉强度和高导电MXene纤维的方法。该方法避免了由于引入绝缘聚合物来增强MXene基纤维而导致电导率数量级降低的问题。基于纤维本身的优异性质，研究团队还展示了MXene纤维在声压传感和焦耳加热两方面的应用，拓宽了其在柔性电子中的应用场景。

相关工作以“High-Performance Zn²⁺-Crosslinked MXene Fibers for Versatile Flexible Electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（DOI: 10.1002/adfm.202407975）。东华大学材料学院博士生曹晓辉为论文第一作者，侯成义研究员、张青红研究员、王宏志教授为论文共同通讯作者。该研究得到东华大学励志计划、东华大学中央高校基本科研业务费专项资金以及“恒逸学者”项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202407975