基于PDA与CNC可控组装的MXene水凝胶传感器：高导电性、稳定性与自修复性能研究

本文创新性地提出了一种通过聚多巴胺（PDA）与纤维素纳米晶（CNC）可控组装策略，构建了兼具高导电性（7.14 S m?1）、抗氧化稳定性（7天后电导率仅下降14%）和快速自修复效率（10分钟达90.5%）的MXene基聚乙烯醇（PVA）水凝胶（PP-CM）。该研究解决了MXene易氧化和PDA绝缘层导致导电性下降的难题，为柔性电子皮肤（e-skin）、摩擦纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）提供了新材料设计思路。

　　

引言：MXene水凝胶的挑战与创新

MXene作为二维导电填料虽具有优异导电性和水分散性，但其在空气和水中易氧化导致电导率骤减。传统聚多巴胺（PDA）包覆虽能提升抗氧化性，却因交联和绝缘特性引发MXene严重聚集和导电性下降。本研究通过预先在PVA溶液中氧化自聚合PDA（不添加CNC和MXene），显著减少聚集诱导基团，避免MXene表面形成绝缘PDA层，再引入CNC通过氢键和静电作用分散高含量MXene，最终构建动态硼酸酯键交联的PP-CM水凝胶。

材料设计与表征

制备工艺优化：PDA在PVA基质中预先聚合，消耗大部分儿茶酚和胺基，随后加入CNC-MXene（CM）分散体，通过硼砂交联形成PP-CM水凝胶。透射电镜（TEM）显示CM分散均匀，扫描电镜（SEM）显示冻干后水凝胶具有微米级多孔结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实硼酸酯键（B-O-C，1406 cm^?1）和氢键（3332 cm^?1峰位移）的形成。

性能突破：

1. 导电性：PP-CM电导率达7.14 S m^?1，显著高于传统PVA-PCM（3.12 S m^?1），归因于PDA未包覆MXene边缘。

2. 稳定性：PDA的还原性使PP-CM在7天后电导率仅下降14%，而PVA-CM下降83%。紫外可见光谱和TEM证实PDA有效抑制MXene氧化为TiO₂。

3. 力学性能：CNC和MXene协同增强，PP-CM拉伸强度达79.1 kPa（MXene 5 mg mL^?1），压缩模量17.9 kPa，为纯PVA的1.57倍。

功能化应用验证

自修复与粘附性：动态硼酸酯键和氢键使PP-CM在10分钟内实现90.5%自修复效率；PDA的仿生粘附特性使其对玻璃、PTFE等多种材料具有高粘附强度（3.54 kPa）。

传感器性能：

• 应变传感：GF值从0.35（50%应变）升至0.99（500%应变），可精准监测手指、膝关节等部位弯曲角度。

• 能量收集：组装TENG在3 Hz频率下输出±79 V电压，压力响应灵敏度达2 mV kPa^?1（PENG）。

结论与展望

该研究通过PDA预聚合和CNC分散协同策略，突破了MXene水凝胶导电性-稳定性-机械性能的平衡难题。PP-CM在柔性电子、自供电传感等领域展现广阔应用前景，为MXene基功能材料设计提供了新范式。未来可进一步探索其在生物医学信号监测等跨学科应用中的潜力。