科学网-Nanoenergy Advances 西安科技大学周文英教授团队核壳界面工程新突破-曼迪匹艾MDPI的博文

Nanoenergy Advances 西安科技大学周文英教授团队核壳界面工程新突破

2026-10-17 15:46

阅读：208

西安科技大学化学与化工学院周文英教授团队在期刊Nanoenergy Advances 发表题为PDA-Decorated MXene Nanosheets Lead to Elevated Dielectric Performances in PVDF Nanocomposites的研究论文。针对MXene/PVDF介电复合材料难以兼顾高介电常数、低介电损耗与高击穿强度的行业痛点，本研究提出了以多巴胺在MXene表面原位自聚合构筑MXene@PDA核壳结构的界面改性策略，优化PVDF复合材料的介电特性，同时阐明PDA界面层调控体系极化行为、载流子输运规律与局域电场分布的微观机理，为柔性储能器件、电力系统绝缘介质的设计与制备提供新思路。

研究背景

柔性储能器件、大功率电力设备的快速发展对聚合物电介质的综合性能要求持续提升。铁电PVDF的柔韧性好、易加工、耐压优异，是理想介电基材，但其本征介电常数 (ε) 低，介电储能密度提高受限。

向PVDF掺杂导电MXene二维纳米填料和借助界面极化可提升体系的ε，然而导电MXene纳米片易相互接触形成导电网络，造成介电损耗 (tanδ)、漏电流激增，故高场下复合电介质的击穿强度 (E_b) 大幅下降，影响其在高压绝缘场合的工程应用。

传统MXene@SiO2无机包覆能有效降低损耗和漏电流，但无机氧化硅壳层与有机PVDF基体的相界面相容性差、界面缺陷增多，故无法同步提升体系的介电与耐压性能。现有的改性手段目前难以兼顾高ε、低tanδ、高E_b，亟需全新界面工程策略打破性能介电性能之间的制衡和实现协同提升。

研究内容

完整制备MXene@PDA/PVDF柔性纳米复合膜流程

少层MXene纳米片制备：采用LiF/HCl混合刻蚀体系去除Ti₃AlC₂前驱体中的铝原子层，冰水浴超声剥离后得到薄层Ti₃C₂Tx纳米片；

可控包覆制备MXene@PDA核壳填料：以Tris-HCl缓冲液调控体系pH至8.5，室温条件下调控多巴胺 (DA) 与MXene质量比例 (5/10/15/20 wt%) 自聚合反应10 h，在MXene片层表面生长厚度均匀的绝缘聚多巴胺 (PDA) 包覆层；

溶液流延成型复合膜：将不同壳层厚度的MXene@PDA填料以1-9 wt%填充比例分散于DMF溶剂，与PVDF充分共混后溶液流延，经分段真空干燥，得到系列柔性介电薄膜试样。

结构表征

通过TEM、FT-IR、XRD、SEM、EDS多手段验证核壳结构的成功制备与界面优化效果。

MXene与MXene@PDA微观结构表征图

研究采用TEM、FT-IR、XRD、断面SEM及EDS元素映射多种表征手段，证实了多巴胺在MXene表面的成功聚合，形成了均匀无定形的PDA包覆层；刻蚀过程完整去除Ti₃AlC₂中的铝元素，且PDA壳层可通过氢键作用改善MXene与PVDF基体的界面相容性，实现纳米填料在基体中的均匀分散。

核心介电性能

1.介电常数

纯PVDF的ε仅为11.2 (Hz)；掺杂MXene填料后基于微电容效应与界面极化作用，复合膜的ε明显提升，尤其在临界用量处ε快速飞升。引入有机PDA壳层后，一定程度上弱化了界面极化强度，但整体ε仍维持较高水平：在填料量为7 wt%及15 wt%的多巴胺包覆的MXene-3/PVDF试样中，10³Hz下7 wt%达35.68，远高于纯PVDF薄膜的ε。

极化变化规律显示：随PDA壳层厚度的增加，复合膜的ε有所下降；随MXene@PDA填料填充量的升高，ε持续上升。渗流模型拟合结果表明，MXene@PDA复合膜渗流阈值远高于未改性MXene体系，证明PDA壳层可有效阻隔MXene片层的相互搭接，抑制了连续导电网络生成。

2.介电损耗与电导率 (σ)

对于未改性MXene/PVDF薄膜，填料含量增加促使MXene片层搭接形成导电通道，造成损耗、漏电流急剧上升；PDA界面层既能物理阻隔导电通路形成，又能诱导电荷陷阱，实现捕获载流子和限制电荷长程迁移的目的。

同一填充比例下，MXene@PDA复合膜的损耗与电导率均显著优于纯MXene体系，且PDA壳层变厚能进一步强化损耗的抑制效果。7 wt%填充的 MXene-3/PVDF在10³ Hz下tanδ降低至0.34，漏电流大幅下降，显著减轻了器件的运行过程中的焦耳热产生和积累。

借助Havriliak–Negami介电弛豫模型拟合与Cole-Cole复介电谱解析明确了复合体系的总介电损耗由电导损耗、界面极化损耗与偶极松弛损耗三部分构成；PDA包覆层能够显著抑制低频区的电导损耗，大幅降低体系内可自由迁移的空间电荷密度。

3.击穿强度

未改性填料引入PVDF带来界面缺陷，纯MXene填充后体现的E_b持续衰减；而MXene@PDA则实现了体系的E_b提升：7 wt%填充下纯MXene/PVDF在低压下被击穿；而MXene-3/PVDF的E_b达12.94 kV/mm，MXene-4/PVDF (20 wt% PDA) 的E_b最高达13.15 kV/mm。

PDA壳层提升E_b的内在机理分为三点：

PDA壳层构建了电荷陷阱，束缚空间电荷，抑制局部电场集中和畸变；

PDA有机界面层缓解MXene与PVDF间介电参数失配，均匀重分布局域电场；

核壳结构延长电树枝生长路径，阻断击穿导电通道。

Weibull分布拟合显示，MXene@PDA/PVDF复合膜的形状参数β显著更高，材料内部结构均匀性、耐压可靠性大幅提升。

COMSOL多场仿真

COMSOL多场仿真显示，纯MXene复合膜内部填料间隙的电场畸变严重，局部场强高，电树枝易快速贯穿薄膜，高损耗带来显著焦耳热；而MXene@PDA依靠PDA绝缘壳层缓解电场梯度，抑制局部击穿，延缓电树枝扩展，降低焦耳热，使试样内温度分布更均匀，温升更低，热服役稳定性获得有效改善。

综合性能对标

引入品质因子Y=εE_b/tanδ综合评判储能介质性能，将本工作MXene@PDA/PVDF与Mo@SiO₂、Cu@CuO@MgO、PZT@Ag等经典核壳PVDF体系横向对比：

MXene@PDA/PVDF兼具高ε、低tanδ、高E_b三重优势，综合性能处于同期材料前列，有机PDA包覆解决无机壳层与PVDF相界面相容性差的固有短板。

核心结论与创新点

研究证实，本实验制备的MXene@PDA填料使PVDF复合膜同时实现高ε、低tanδ、高E_b，综合性能优于传统SiO₂无机包覆改性体系。本工作三个创新如下：采用有机绝缘PDA层修饰MXene，借助氢键作用同步改善填料分散性与薄膜耐高压能力；PDA壳层能阻断导电通路、捕获载流子、均化局域电场，三重协同作用解决ε、tanδ、E_b难以兼顾的痛点；通过调控多巴胺添加量精准控制包覆层厚度，实现了复合介质的介电性能可调性。该核壳界面改性策略通用性强，在储能薄膜电容器、电力绝缘器件、可穿戴柔性电子及高频通信介质领域具备广阔应用前景。

作者简介

周文英教授

通讯作者，2009年至今任职于西安科技大学，担任先进电工材料研究中心主任、课题组负责人。2000年开始供职于中国航天科技集团第四研究院从事航天材料研发；2007年于西北工业大学获材料学博士学位，2009年于西安交通大学电气工程专业博士后流动站出站。目前从事先进电工材料相关技术研究，聚焦面向热管理、储能设备的介电材料与导热材料的设计与开发。

杨国庆

第一作者，西安科技大学化学与化工学院本科生。主要从事耐高温聚合物介电材料的设计与应用研究。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2673-706X/6/2/13