基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

曹晓辉，侯成义，李耀刚，李克睿，张青红,＊，王宏志,＊

1东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620

2东华大学材料科学与工程学院，先进玻璃制造技术教育部工程研究中心，上海 201620

1 引言

自Novoselov等1于2004年首次通过机械剥离的方法制备出单层石墨烯材料后，二维(2D)纳米材料凭借其优异的物理和化学性质而受到广泛的关注。二维纳米材料是指材料在微观结构上的一个维度的尺寸为单原子厚度或者几个原子厚度，其他两个方向为宏观尺寸的片层材料2。随后各种类型的二维纳米材料被相继合成出来，如六方氮化硼(h-BN)3、过渡金属二硫化物(TMDs)4、黑磷(BP)5、石墨相氮化碳(g-C3N4)6、层状双金属氢氧化物(LDHs)7、硅烯(Silicene)8等，这些材料极大地丰富了二维纳米材料家族。

2011年，美国德雷赛尔大学Yury课题组9首次通过氢氟酸刻蚀钛碳化铝(Ti3AlC2)中的Al层，得到单少层碳化钛(Ti3C2Tx)材料，拉开了二维MXenes材料研究的序幕。MXenes作为一类新型的具有类石墨烯结构的二维纳米材料，其通用化学表达式为Mn+1XnTx，其中M为前期过渡金属元素，X代表C或N元素，Tx表示合成过程中形成的表面端基(如O，OH，F)，下标n = 1-4，这意味着MXenes是拥有3-9个原子层厚度的二维纳米片，是目前为止厚度最大的二维材料。由于M和X可由一种或多种元素组成，各种元素的不同组合使MXenes材料形成了一个大家族，目前有超过30种不同的MXenes材料被合成出来，同时理论预测MXenes材料超过100种10。自MXenes材料被首次发现以来，该材料凭借其优异的导电性、极佳的亲水性、超高的强度(20-30 GPa)和模量(300-500 GPa)以及丰富的表面电化学活性基团等优点而迅速成为研究热点。基于此，MXenes材料在能量储存和转换(图1a)11-13、电磁屏蔽(图1b)14、气体传感(图1c)15、催化(图1d)16、气体分离17、生物医疗(图1e)18以及海水淡化(图1f)19等领域已表现出潜在的应用价值。

图1 MXenes材料在各个领域的应用Fig. 1 Applications of MXenes materials in various fields.

进入21世纪后，随着物联网和人工智能技术的更新迭代，人类对织物的要求不仅限于保暖和美观，采用功能纤维与新型纺织技术制成的智能织物应运而生20。智能织物的出现对构成织物的纤维提出了新的要求，即在保持纤维基本的力学性能和人体舒适性的同时，赋予纤维“智能化”，使其具有导电、储能、感知等一种或多种功能21。MXenes作为一种新兴的二维纳米材料，利用其优异的综合性能来获取功能纤维是一种可行的选择。特别是Ti3C2TxMXene，因其优异的金属导电性和高比容量已经广泛应用于纤维器件中，无论是用作填料22，还是功能性涂层23，亦或是制成纤维的主体成分24，都展示出巨大的应用前景。通过将功能纤维集成到纺织品中，再融合微电子等前沿技术而成的智能织物能够实时地采集人的生理信号，并对采集的信号进行相应的处理与反馈，进而实现人与外界的信息交互。

本文主要介绍MXenes材料的制备工艺及其性能，将重点阐述MXenes作为功能材料在纤维领域的国内外研究进展，并按纤维的成型工艺进行归纳总结，最后对MXenes材料及其功能化纤维进行总结和展望。

2 MXenes材料的制备和性能

如图2所示，目前制备MXenes纳米片大多采用自上而下的工艺将前驱体MAX相中的A原子刻蚀掉，然后再通过插层和剥离步骤获得。在刻蚀过程中片层两端会暴露出不稳定的M原子，为了降低总表面能，这些不稳定的M原子很容易与溶液蚀刻过程中产生的Tx基团(例如F，OH，O)连接。正是由于刻蚀过程中会使MXenes薄片表面产生丰富的基团，使得这些薄片在许多溶剂中具有良好的分散性，并且这些表面的基团跟MXenes的许多物理化学性质有着直接的关联25，因而MXenes材料的制备工艺会对其性质产生巨大的影响。下文归纳了获取MXenes材料的主要方法，并简要总结MXenes材料的主要性质。

图2 制备MXenes材料的示意图Fig. 2 Schematic showing the preparation of MXenes materials.

2.1 MXenes材料的制备

目前大多MXenes材料是通过刻蚀试剂反应掉MAX相中的A原子得到多层MXenes块状颗粒，根据刻蚀试剂的不同，可分为湿化学刻蚀法和熔融盐刻蚀法。湿化学刻蚀法具有产率高、可大规模制备等优点26，该刻蚀方法根据插层方法的不同又分为最小强度分层(MILD)法和化学插层法，通过插层试剂插层后再通过超声或者机械剥离得到单少层的MXenes纳米片。而熔融盐刻蚀法具有可调节MXenes表面不同的基团，且适用于多种MAX相刻蚀的优点。随着研究的推进，为满足应用过程中的需求，无氟刻蚀法等一些其他制备方法也相继被开发出来。

2.1.1 湿化学刻蚀

最初获得的MXene材料就是使用氢氟酸进行湿化学蚀刻Ti3AlC2相得来的，后来研究者考虑到纯氢氟酸刻蚀的工艺操作危险，并且对环境危害大，又发展出混合酸和原位形成氢氟酸作为刻蚀试剂来生产MXenes的工艺。不同的刻蚀试剂各有优缺点，下文将进行详细阐述。

(1) 氢氟酸(HF)

将氢氟酸作为蚀刻剂，已经将包括Ti3AlC2、Ti2AlC、TiNbAlC、Ti3AlCN、Ta4AlC3、(V0.5Cr0.5)3AlC2和(Ti0.5Nb0.5)2AlC在内的许多MAX相成功地转化为相应的MXene纳米片9,27,28，其基本制备流程如图3a所示。纯氢氟酸刻蚀法制备的MXenes片层清晰，间隔均匀(图3b)，但是片层往往含有一定量的缺陷，为此制备过程中氢氟酸的浓度、刻蚀温度、反应时间和MAX前驱体颗粒大小是获取质量较优片层的重要控制因素29。氢氟酸刻蚀MAX相的反应过程如下所示27：

(2) 混合酸

为了使反应条件更为温和，同时保证刻蚀出的单少层MXene的产率，研究者又采用了混合酸代替氢氟酸的方法刻蚀Ti3AlC2MAX相。在这种方法中，蚀刻溶液由9 mol·L-1的盐酸、去离子水和49%的氢氟酸组成，体积比为6 : 3 : 1。蚀刻后洗涤至上清液呈中性，随后加入插层剂(氯化锂)混合，通过在3500 r·min-1下离心用去离子水反复洗涤溶液上清液出现自分层片层，随后收集产物30。同样，刻蚀试剂中的各种溶剂比例也可按实际需求进行优化改善，有研究团队通过改变刻蚀试剂中的溶剂比例，将该刻蚀工艺制备的Ti3C2TxMXene成功应用在高性能钠离子和钾离子电池的负极31。

(3) 氟化锂(LiF)+盐酸(HCl)

为了获得尺寸更大和缺陷更少的片层材料，Ghidiu等32通过在LiF和HCl的混合溶液中添加Ti3AlC2粉末，在40 °C下反应45 h，制备出了Ti3C2TxMXene，该方法称为“粘土法”。在此方法中，由于刻蚀和插层过程是同时进行的，因而简化了合成工艺。

Lipatov等33通过调整MAX和LiF之间的比例，发现过量的LiF促进了MAX相的蚀刻和Li+的嵌入，获得了片层尺寸更大和缺陷更少的Ti3C2Tx纳米片，图3d展示了大尺寸MXene片的原子力显微镜图。为了将此优化的方法与“粘土法”区分开来，将此方法称为最小强度分层法28，基于“MILD法”改进后的方法是目前应用最广泛的刻蚀方法。随后，Alhabeb等34在室温下使用12 mol·L-1LiF/9 mol·L-1HCl的配方，对MILD法进一步优化，证实了该方法在室温下进行蚀刻的时间低于24 h时，除了一定浓度的HCl外，还需要最低浓度的Li+。另外，有文献总结了氟化钠(NaF)、氟化钾(KF)、氟化铯(CsF)、氟化钙(CaF)等氟化物也可替代LiF，而硫酸(H2SO4)可代替HCl35。LiF+HCl作为刻蚀试剂同样也已成功制备了多种MXenes，包括Nb2CTx、Ti2CTx32、Cr2TiC2Tx36、(Nb0.8,Zr0.2)4C3Tx37以及Mo2CTx38。

图3 MXenes材料的制备和表征Fig. 3 Preparation and characterization of MXenes materials.

2.1.2 熔融盐刻蚀

值得注意的是，湿化学刻蚀不适合蚀刻氮化物型的MAX相，因为Al原子在Tin+1AlNn中的键能要高于Tin+1AlCn中的键能39。基于此，Urbankowski等40开发了一种熔盐法。如图3c所示，即将各种氟盐和Ti4AlN3的混合物在氩气气氛保护下，在550 °C条件下保温30 min，选择性蚀刻铝来制备Ti4N3TxMXene。2019年，中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆团队41发现在氯化锌(ZnCl2)熔盐中，一些MAX相前驱体(Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2AlN和V2AlC)中的Al元素会与Zn元素之间发生置换反应，进而形成了新型的MAX相Ti3ZnC2、Ti2ZnC、Ti2ZnN和V2ZnC。当使用过量的ZnCl2时，利用熔融ZnCl2的强路易斯酸性进行再刻蚀，而后通过剥离可以得到含Cl表面基团的MXenes (如Ti3C2Cl2和Ti2CCl2)。随后，该团队将该剥离策略成功拓展到多种路易斯酸氯化物熔融盐(氯化亚铁(FeCl2)、氯化铜(CuCl2)、氯化银(AgCl)等)和更广的MAX相家族成员，在高温熔盐条件下，通过构建阳离子与A元素的氧化还原电位/置换反应吉布斯自由能映射图谱，提出了一种路易斯酸熔盐刻蚀MAX相合成MXenes的通用合成策略42。

2.1.3 无氟试剂刻蚀

含氟试剂刻蚀对环境危害大，操作过程比较危险。此外，在MXenes材料的实际应用过程中，不稳定性是亟需解决的关键问题，有研究表明易于脱附的F基团是影响该材料稳定性的关键因素，刻蚀出无F表面基团的MXene可大幅提高材料的环境稳定性，并且F端基的存在会大幅降低MXene材料的电化学性能43。基于以上原因，迫切需要开发出一种无氟试剂来制备MXenes材料的方法，当前无氟刻蚀法包括水热法碱刻蚀，电化学刻蚀以及上文提及的路易斯酸熔融盐刻蚀。

2018年，上海交通大学张荻团队报道了一种利用水热法碱刻蚀合成无氟高纯MXene材料——Ti3C2Tx(Tx= OH，O)的方法44。该工艺受铝土矿精炼中使用的拜耳工艺启发，达到了利用氢氧化钠(NaOH)刻蚀Ti3AlC2中的Al原子的目的。该工艺不含氟，因此产物不含F端基，制备的Ti3C2Tx薄膜电极相对于HF制备的Ti3C2Tx质量比电容提高了214%。同年，Yang等45报道了一种基于Ti3AlC2在二元水电解液中阳极腐蚀的无氟蚀刻方法。该方法同样先让铝溶解，并且利用氢氧化铵原位插层后制备出Ti3C2Tx(Tx= OH，O)薄片，最大尺寸高达18.6 μm (图3e)。最近，宋礼团队46开发了一种简单可控的HCl-水热蚀刻方法，制备得到了高质量无氟MXene材料。由于通过HCl刻蚀工艺产生表面无氟的官能团，由该工艺制备的Mo2C电极在超级电容器和钠离子电池中表现出优异的电化学性能。

2.1.4 其他制备方法

上述刻蚀都是采用自上而下的方法刻蚀掉Al原子，而蚀刻试剂会使材料表面形成缺陷，相反，化学气相沉积(CVD)作为一种自下而上的方法已广泛应用于其他二维材料的制备，特别适用于制造高质量和大面积的MXenes材料。Xu等47报道了通过化学气相沉积制造大面积高质量2D超薄α-Mo2C晶体，图3f和图3g对应其高分辨TEM图和选区电子衍射图谱，该方法为MXenes材料的制备开辟了一条新途径。这些晶体只有几纳米厚，尺寸超过100 µm，在环境中非常稳定。随后，使用相同的方法，诸如氮化钽(TaN)48、碳化铼(ReC)49等其他过渡金属碳氮化物也可被制成超薄晶体。但CVD制备MXenes材料的设备昂贵，并且不易制备单层或少层的材料。

不同制备工艺用来获取MXenes材料的特点各有优异，但作为最有前景的制备方法，MILD法展示出更加优异的综合性能，有望用来实现MXenes材料大规模的制备。基于不同制备方法的优缺点总结如表1。

表1 不同刻蚀方法的优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different etching methods.

2.2 MXenes材料的性能

一般来说，MXenes材料的制备方法和加工条件对材料表面的基团种类和数量有很大影响，而表面基团也会影响材料的物理化学性质，因此需要根据不同的应用场景来选择合适的刻蚀工艺以制备出满足实际应用需求的MXenes材料。下文就MXenes材料的一些物理化学性能做简要阐述。

2.2.1 力学性能

目前大多数对MXenes的材料力学性能的表征手段主要是通过理论计算。Naguib等9经理论计算出剥离的单层Ti3C2(OH)2材料沿基面的弹性模量约为300 GPa。此外，密度泛函理论(DFT)50和分子动力学51都预测M2X型的MXene比M3X2和M4X3型更硬、更坚固，同时在分子动力学理论上计算Ti3C2的杨氏模量达502 GPa (图4a)。Lipatov等52利用原子力显微镜的尖端对其进行纳米压痕以记录力-位移曲线的方法，发现单层Ti3C2Tx的有效杨氏模量为0.33 ± 0.03 TPa，这个值高于氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)和硫化钼(MoS2)，但低于h-BN和石墨烯(图4b)。

2.2.2 电学性能

理论研究表明，不同MXenes材料表现为导体或半导体的导电特性，取决于M、X的种类和表面基团53。Miranda等54报道了单个Ti3C2TxMXene薄片自由载流子的密度约为(8 ± 3) × 1021cm-3，载流子迁移率约为0.7 ± 0.2 cm2·V-1·s-1，展示出金属般的导电性质(图4c)。改变表面基团及其空间排列可以改变MXenes材料的电子传输特性，Tang等55通过DFT计算表明裸Ti3C2薄片具有金属特性，而单层Ti3C2(OH)2和Ti3C2F2的电学性质依赖于Ti3C2TxMXene表面上-OH和-F的空间排列，表现出窄带隙半导体或金属特性。Lai等56将Ti2CTx置于氩气和氢气环境中，通过1100 °C对Ti2CTx进行热退火，发现Ti2CO2具有类半导体导电行为。除材料的本身成分外，基于MXenes的宏观材料的电导率还取决于样品的制备工艺。一般来说，低密度的材料缺陷和大的薄片尺寸会使宏观材料的电导率更高，这一点可以通过更温和的蚀刻方法和无超声剥离来实现。例如在HF水溶液中液相剥离层状Ti3AlC2，即使进行碱化和煅烧后处理以去除官能团，制备出的冷压片材料电导率只有2.41 × 103S·cm-157。而通过改进后MILD方法制备的材料，用其制备的薄膜材料电导率达到2.40 × 104S·cm-158。该电导率的显着提高可能源于合成的MXene片拥有更少的片层缺陷以及更大的薄片尺寸。

图4 MXenes材料的各种性质Fig. 4 Various properties of MXenes materials.

2.2.3 光学性能

MXenes的光学特性同样与其材料结构有着内在的关联59。Berdiyorov60使用第一性原理密度泛函理论研究了表面端基对Ti3C2T2(T = F, O, OH)的光学性能的影响。结果表明在可见光范围内，与原始Ti3C2MXene相比，氟化和羟基化样品显示出更小的吸收和反射率，相反，表面氧化的样品导致吸收和反射率提高(图4d)。在紫外光范围内，所有官能团都使材料的吸收和反射率提高。此外，MXenes材料还具有优异的光热转换性能，有研究团队61报道了四羟基合铝酸根([Al(OH)4]-)阴离子功能化碳化钛片在近红外(NIR)区域表现出异常强的光吸收，在808 nm处质量消光系数高达29.1 L·g-1·cm-1，该值可媲美目前最先进的光吸收材料，远高于氧化石墨烯的值(3.6 L·g-1·cm-1)62。凭借其优异的光学性能，MXenes材料也应用在透明薄膜领域。美国德雷克塞尔大学研究团队63通过在玻璃和柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上喷涂涂层(图4e)，制备了大面积分层的Ti3C2Tx薄膜，所制备的Ti3C2Tx薄膜的光学性质可以通过简单的化学插层来调节。此外，该团队通过在水溶液中将二维Ti3C2Tx组装成纳米薄膜，实现了可用于水环境中高电导率薄膜的制备64。

2.2.4 化学稳定性

众所周知，MXenes表面基团能使其具有亲水性，能够很好地分散在水溶液中。但当遇到外界干扰时，其稳定性很容易被破坏。如Natu等65研究了MXene水分散体在各种pH值和氯化钠(NaCl)浓度下的稳定性，发现pH改变或盐的加入会诱导MXene片的聚集，从而导致片层沉降。此外，即使不人为加入介质，单个MXenes薄片在含氧气和水的环境中也并非长期稳定。例如，当Ti3C2TxMXene材料处于含氧水环境中时，其材料会发生相转变，首先薄片的边缘会开始氧化，导致形成含二氧化钛(TiO2)纳米晶体边缘的薄片，然后通过成核和生长使整个片层氧化成锐钛矿型TiO266。暴露在光线下也会加速MXenes胶体溶液的氧化53，一般为了延长MXenes材料的保存周期，通常将MXenes胶体溶液冷藏保存在无氧黑暗环境中。另外，溶剂的选择也会影响MXenes材料的稳定性，因为水可以溶解大量的氧气，而有机溶剂中的含氧量较低。有研究67表明Ti3C2Tx在二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸亚丙酯(PC)中的分散体表现出高稳定性(图4f)。

3 MXenes功能化纤维的制备及其性能

当前，新一代可穿戴电子设备处于蓬勃发展的时期，传统的刚性平板或柔性薄膜功能器件难以同时实现质量轻、体积小、可编织以及透气透湿的要求，而纤维状器件为解决以上问题提供了一种行之有效的方法。MXenes材料表面有许多活性基团，这些基团可以使其分散在很多极性溶剂中，具有良好的可加工性；同时表面的活性基团也使其在储能、催化以及传感等领域展示出巨大的应用前景。将MXenes材料直接作为纺丝原料，或将MXenes作为功能填料引入纤维架构中，再用编织技术制成织物，可实现功能性可穿戴器件的制造。目前，基于MXenes功能化纤维制备工艺可以分为以下两类，一类是将功能材料涂覆在基体纤维上；另一类是将材料引入纺丝液中，通过湿法纺丝和静电纺丝等成纤工艺制备出高性能MXenes功能化纤维。

3.1 涂覆法制备MXenes功能化纤维

涂覆法是利用溶剂蒸发后，活性物质在基体材料表面沉淀，均匀包覆于基体材料表面的方法，包括浸涂、滴涂和喷涂。这种方法不仅工艺简单，且成本低廉，生产效率高，适合大批量生产68。然而，利用该方法制备功能纤维或纱线时，在功能材料和基体材料的界面处缺乏化学键，致使功能材料的负载量有限，并且存在服役过程中容易从基体材料表面脱落的问题，制得的纤维耐久性和稳定性得不到保障。因此，针对该工艺的大多数研究都是从增强材料间的界面作用来展开的，通过基体材料表面改性或界面组装工程，使这些功能材料可以更紧密地与基体材料结合以制备出具有高稳定性的功能纤维。

一般来说，MXenes主要通过以下几种物理或化学作用结合到材料表面。首先，由于MXenes片层表面带负电，能够和带正电的基体表面通过静电作用很好地结合起来。此外，MXenes表面上丰富的基团能够通过氢键作用粘附到表面具有羟基或胺基等互补基团的纤维表面。除了静电相互作用和氢键外，MXenes中过渡金属的存在也会使其与纤维中的官能团(如羧基和胺基)强配位，有助于MXenes更好地结合到材料表面21。基于以上几点，合理的设计并实现基体和MXenes涂层的紧密结合是制备高性能纤维的前提，也是目前大多数研究的方向之一。

美国德雷塞尔大学Yury团队对MXenes功能化纤维或纱线的研究较为广泛。Uzun等69通过用Ti3C2TxMXene涂覆纤维素纱线，生产出具有高导电性和高电化学活性的纱线，该纱线可以使用工业针织机将其编织成纺织品(图5a)。测试结果表明，该纱线MXene的负载量约为2.2 mg·cm-1，其电导率高达440 S·cm-1，并且该纱线电极在2 mV·s-1扫速下能够提供759.5 mF·cm-1的比电容。此外，该纱线表现出很好的稳定性能，在30-80 °C的温度下洗涤循环45 h后，MXene负载量保持相对不变(＜ 1%减少)，并且洗涤后的MXene涂层纱线表现出与未洗涤的MXene涂层纱线相似的机械性能。Levitt等70同样采用浸涂的工艺将Ti3C2TxMXene涂覆于棉纱线或尼龙纤维表面(图5b)，为了研究MXene与尼龙纤维的粘附性，使用X射线光电子能谱(XPS)研究了Ti3C2TxMXene和尼龙纤维之间的界面相互作用，结果证明两者之间存在Ti-N共价键，这保障了MXene片紧密地黏附在尼龙纤维表面。

图5 MXenes功能化纤维的制备及其表征Fig. 5 Preparation and characterization of MXenes-functionalized fibers.

Pu等71也采用逐层浸涂的工艺制备出AgNW/WPU-MXene织物电极用于应变传感器。具体工艺是将亲水性聚氨酯纤维(HPUF)浸入2 mg·mL-1的AgNW/WPU墨水中浸泡1 min，风干。然后将涂有AgNW/WPU的材料浸入2 mg·mL-1MXene墨水中1 min并风干。再重复涂覆3次MXene就制备出AgNW/WPU-MXene应变传感电极。该电极各个界面间均以氢键作用紧密连接，保证了界面的相容性。Hu等72为了使Ti3C2TxMXene更好地涂覆在镀银尼龙纤维上，首先将镀银尼龙纤维暴露在氧等离子体中5 min，使其表面亲水，然后用移液管将MXene胶体悬浮液滴加到预处理过的镀银尼龙纤维上，实现了在纤维骨架上形成一层MXene涂层的目的，其负载量约0.7 mg·cm-1。Shi等73同样通过将镀银尼龙纤维多次浸渍到浓度约为10 mg·mL-1Ti3C2Tx悬浮液中，在干燥后，得到Ti3C2Tx负载量约为0.15 mg·cm-1的纤维电极。通过对比发现，采用氧等离子体预处理可大大提高疏水性材料负载Ti3C2TxMXene的量，从而提高其电学性能。

对于那些MXenes在其表面附着力很差的基体材料，尽管氧等离子预处理可以提高其负载量，但是这个负载量仍然有限，由此制备出的功能化纤维性能上可能会逊色。这种情况下可以使用粘结剂将MXenes与这些纤维结合起来，或者采用一种化学接枝的方法来改变基材表面的化学基团，通过提高MXenes的负载量和增大两种材料的界面结合力来进一步改善功能纤维的性能。例如，Zhang等74使用了聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)充当粘结剂来促进MXene片粘附到碳纤维表面，这种粘结剂具有导电性可以抑制纤维电极的电化学性能的大幅下降，同时克服了文献中普遍报道的活性材料涂层负载量有限的问题。Yuan等75同样使用了聚酰胺-酰亚胺(PAI)作为粘结剂将MXene附着在碳纤维表面(图5c)，所不同的是该团队使用高锰酸钾对碳纤维进行了预处理，旨在增加碳纤维表面的粗糙度来增强材料之间附着面积，同时使纤维表面具有亲水基团和极性基团来增大材料之间的结合力。

3.2 湿法制备MXenes功能化纤维

湿法纺丝工艺在制备聚合物纤维22、碳纳米管纤维76以及石墨烯纤维77,78中有着极其广泛的应用。其基本流程是将具有可纺性的纺丝原液在助推泵的作用下通过喷丝口均匀定量地注入到凝固浴中，在双扩散机制的作用下原液细流在凝固浴中凝固成型得到初生纤维，进行一定程度的牵伸后，初生纤维经洗涤，干燥得到固态纤维79。在湿法纺丝过程中，纺丝原液的浓度、喷丝口的大小、形状和材质、凝固浴的种类以及喷丝速度等都会影响最后成纤的性能。

由于MXenes在极性溶剂中具有良好的分散性，因此它很适合作为功能材料添加到其他基体材料中进行共纺形成MXenes复合纤维，这样可避免涂覆法导致MXenes易从基体材料脱落的问题。通过与高分子复合，利用湿法纺丝已成功制得如聚己内酯(PCL)、聚丙烯腈(PAN)及聚偏二氟乙烯(PVDF)80，聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)81和PEDOT:PSS82等高分子与MXenes共混的复合纤维。例如，MXene与PCL共混进行湿纺时，当MXene负载量约为23% (w)时纤维变得导电，电导率为1.84 mS·cm-180。同样，当MXene在PPAT中的重量比为2% (w)时，复合纤维的拉伸强度大约为20 MPa，断裂伸长率为3.04%，电导率为171.9 mS·cm-181。前文讲到凝固浴的种类会影响纤维的性能，例如由异丙醇(IPA)凝固浴纺制的MXene/聚氨酯(PU)纤维展现出比乙酸(AcOH)凝固浴纺制纤维更高的导电性，这一点可能是由于在IPA凝固浴中纤维的凝固速度更快，使MXene片层来不及分离所导致的。对于IPA凝固浴制得的MXene/PU纤维，在约23.1% (w) MXene负载量下，纤维的电导率达到了22.6 S·cm-1，拉伸强度约为14 MPa，断裂伸长率约为1.8%22。通过数据对比，不难发现以上制得的复合纤维的电导率仍然较低，有研究团队82通过湿法纺丝工艺(图5d)将MXene混入导电高分子共纺以获得导电性能更佳的复合纤维，当MXene负载量为70% (w)，MXene/PEDOT:PSS纤维电导率达到约1489 S·cm-1，拉伸强度达到58.1 MPa。

除了与高分子材料共混进行湿纺，也有研究人员将MXene材料与其他二维材料共混形成纺丝原液进行湿法纺丝得到全无机功能纤维。Lee等83以定量的10 mg·mL-1GO水溶液为基体材料，添加MXene制成原始溶液，而后通过溶剂交换使两种溶质溶解在DMF中制得纺丝原液。将DMF中的MXene/GO通过注射泵挤出到凝固浴中，凝固后将凝固浴中的凝胶纤维连续收集在卷轴上。随后，干燥的MXene/GO纤维在200 °C的惰性气体中通过简单的电置换反应进行热还原，获得了MXene/rGO混合纤维。该纤维表现出优异的机械柔韧性，即使在弯曲超过2000次循环后，电阻波动低至±0.2%。Yang等84采用类似的方法也得到MXene/rGO杂化纤维，MXene含量为90% (w)时，经还原后混合纤维的电导率达到290 S·cm-1，其不同配比制成的纤维应力应变曲线如图5e所示。

MXene/GO纤维在纺丝后需要进行化学还原过程，得到rGO以获得更高的导电性，这使得制备工艺变得复杂，难于应用。随后，有科学家考虑直接制备纯MXene纤维以期获得导电性能更佳的纤维。2019年，韩国汉阳大学韩泰熙课题组首次开发了一种无需添加剂或粘合剂，能够连续大规模制造纯Ti3C2TxMXene纤维的湿法纺丝工艺24。其详细工艺是将相对较大的Ti3C2TxMXene片(平均尺寸和纵横比分别为～5.11 μm2和1600)制成高浓度(25 mg·mL-1)纺丝原液，并且在凝固过程中将铵根离子引入到MXene片层经组装后洗涤，干燥形成固态纤维。该纤维具有非常高电导率(7713 S·cm-1)，且具有一定的力学强度，其拉伸强度达到63.9 MPa。随后，该课题组通过改变凝固浴中的pH值，发现高浓度(25 mg·mL-1)纺丝原液在pH为9的铵根离子溶液中能形成高强度的水凝胶，水凝胶纤维经过牵伸后处理可提高片层的取向和堆叠的紧密程度，其牵伸后形成的固态纤维电导率达到12504 S·cm-1，拉伸强度也提高到343.7 MPa85。同样制备纯MXene纤维，Zhang等86则通过改变纺丝原液中Ti3C2TxMXene片层的尺寸大小，凝固浴的种类以及喷丝口的直径等参数，成功制得具有高电导率(～7750 S·cm-1)、高体积比电容(1265 F·cm-3)的MXene纤维(图5f和5g)，其中大片层MXene制成的纤维拉伸强度达到约40.5 MPa和断裂应变约为1.7%。并将该工艺扩展到其他类型的MXene材料中，成功制备了Mo2Ti2C3Tx纤维，验证了该方法用于制备其他MXene纤维材料的可行性。

3.3 静电纺制备MXenes功能化纤维

典型的静电纺丝装置(图5h)是由一个注射器、一个接地的金属收集器以及高压装置组成，注射器中装有聚合物溶液，上面安装有针头，含有聚合物的纺丝原液通过针头从注射器中挤出，向针头提供高电压，当静电力克服溶液的表面张力时，聚合物射流从针尖喷出，所得纳米纤维被收集在对面的接地收集器上30。一般情况下，静电纺工艺很难制备具有高负载量导电填料的复合纤维，因为在纺丝原液中大量填充导电填料会增加溶液的电导率，这可能会导致短路，甚至在高压下发生闪络。由于导电填料负载量不足，通过静电纺获得的纤维导电性能往往很差，因此该电极很难应用于电化学领域，为了解决导电性能不足的问题，研究人员开展了一系列的工作。

有研究者开发出将聚合物纤维转化为碳纤维来提高其导电性的制备工艺，Levitt等30将Ti3C2Tx和PAN共混形成均一溶液后，通过静电纺丝MXene/PAN纤维，随后再将其碳化以提高其导电性，制备了独立的MXene/碳纤维电化学电极。类似的制备工艺在其他文献报道中也很常见87。Seo等88对该方案进行了改进，获得了空心Ti3C2TxMXene/碳纤维。他们首先使用双喷嘴系统通过静电纺制备了以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为核和MXene/PAN为壳结构的纤维，将静电纺后的MXene/PAN/PMMA纤维在280 °C下保温后，再于800 °C中碳化1 h，由于PMMA在400 °C时分解，因此碳化后就产生了中空结构的纤维，显著地提高了其电化学性能。

基于验证各种高分子与MXene混合后的可纺性，Mayerberger等89将聚丙烯酸(PAA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)与添加量为1% (w)Ti3C2Tx薄片混合后进行了静电纺丝，证明了与不添加导电填料制备的纤维相比，同样添加量下Ti3C2Tx/PEO纤维的电导率变化最大。含更高浓度MXene的PVA/MXene纳米纤维在其他工作中也得到验证90。尽管直接通过静电纺而不经过后处理制得的复合纤维电导率不足以用做电化学电极，然而通过静电纺制备出高分子纤维，然后结合前面的涂覆工艺，将MXene直接覆盖在高分子表面制成的具有可拉伸性能的纤维在传感领域却具有广泛的应用。例如，Yang等91先将热塑性聚氨酯(TPU)分散体通过静电纺丝收集6 h后，收集器上得到大面积的TPU毡。将Ti3C2TxMXene分散体滴涂在TPU毡上，MXene片可以通过纤维间隔渗透到三维网络中，60 °C干燥后得MXene/TPU复合毡。为了解决MXene在TPU上附着力不强的问题，Jia等92将PAN引入到TPU，然后通过静电纺丝制造柔性TPU/PAN毡，改善了TPU的疏水性能，然后通过简单的浸涂工艺制备高导电性和可拉伸的Ti3C2TxMXene/TPU/PAN毡。

采用碳化或者再涂覆导电层的制备工艺过于繁琐，并且效果不显著，存在诸多问题，迫切需要开发出一种新的静电纺工艺来获取高性能MXene复合纤维。基于此，Levitt等93开发了一种一步浴静电纺技术(图5i)，制备出高达约90% (w) MXene负载量的MXene/尼龙纱线，该MXene/尼龙纱线表现出高达1195 S·cm-1的电导率。实现高负载量复合纱线的原因在于他们使用了含MXene分散液的接地浴作为收集器来代替固定金属收集器，在对尼龙纺丝溶液施加高压后，一部分高分子溶液中的甲酸在空气中从尼龙纳米纤维中蒸发，然后纳米纤维收集在浴中。到达浴槽后，纤维中残留的甲酸和浴槽中的水之间就会发生反扩散，从而将MXene片夹在单个纳米纤维之间，然后在收集过程中的张力下将随机取向的纳米纤维捆绑成纳米纱线。表2总结了MXenes功能化纤维的制备方法及其获得的纤维或纱线的各种性能指标。

表2 MXenes功能化纤维的制备方法及其性能Table 2 Summary of the preparation methods and properties of MXenes-functionalized fibers.

4 MXenes功能化纤维的应用

通过前文的叙述可以看出，研究者已经开发出多种方法来制备MXenes功能化纤维，这种新颖的纤维凭借其优异的综合性能已在柔性传感器件、可穿戴储能等领域展示出良好的应用前景。

4.1 MXenes功能化纤维在传感领域的应用

随着柔性电子器件的蓬勃发展以及我国医疗水平的显著提高，人们试图把日常生活中的各种传感器也融入到织物中，用来辅助病人的康复训练，或者用来实时监测人们的健康状态以及周围环境，又或者用来辅助运动员进行运动姿势的调整。MXenes材料表面丰富的基团使其具有很好的可加工性，而其出色的电子特性和较大的比表面积，为其应用在传感领域来检测各种物理量的变化提供了保障。在这种背景下，研究人员开始将MXenes功能化纤维用来制备具有不同检测能力的柔性传感器，以达到实时监测的目的。在下文中将按外界刺激源的不同，对基于MXenes功能化纤维的柔性传感器研究进行阐述。

4.1.1 应力/应变传感

柔性应力/应变传感的基本原理是柔性设备在发生拉伸应变时其电阻值会发生变化，输出并分析这种变化就能实现实时监测的功能94。比起其他监测指标的柔性传感器，柔性应力/应变传感器是目前研究最为广泛的一类，聚氨酯(PU)作为一种弹性可拉伸的高分子材料，被广泛应用到应变传感器中22,71,91,92。Seyedin等22通过湿法纺丝技术获得具有高拉伸性的Ti3C2TxMXene/PU复合纤维。当用作应变传感器时，MXene/PU复合纤维表现出高应变灵敏度因数(GF ≈ 12900)和宽的传感应变(≈152%)。而后通过使用同轴湿纺工艺生产具有MXene/PU外皮和纯PU芯的纤维，循环应变传感性能得到进一步提高，图6a展示的是由MXene/PU纤维编织的一个肘套。同时实现宽工作范围和高灵敏度对于应变传感器来说是一个巨大的挑战，为了解决以上困难，Pu等71通过逐层组装的方法制备出同时具有超高灵敏度(GF = 1.6 × 107)和宽工作范围(高达100%)的纤维状传感器，如图6b所示，将其编织于织物上制成智能手套，可用于监测五个手指的不同手势。Yang等91通过静电纺获得的高柔性和可拉伸网络结构的MXene/PU毡，其具有优异的综合传感性能，灵敏度高(GF = 228)、检测限低(0.1%)、传感范围大且可调(高达150%)、稳定性出色(超过3200次循环)和具有多种监测功能(横向应变、垂直压力、弯曲和细微振动)。Jia等92通过静电纺加涂覆构筑的MXene/TPU/PAN应变传感器表现出传感范围为0-80%、响应速度小于140.6 ms、检测极限低于0.1%以及超过1750次的循环稳定性，由此获得的传感器可以用于语音的识别(图6c)。综上所述，各种制备工艺构筑的应变传感器特点各异，可根据实际情况按需选择。

单一的应变传感器毕竟功能有限，要获取其他功能还需要开发新的器件，毫无疑问，这一点不利于器件的发展，有研究者开始着手开发具有两种及以上功能的纤维，兼具应变传感的同时还能有其他应用场景。Lan等95通过湿法纺丝技术获得由嵌入PU中的MXene和碳纳米管(CNT)组成的纤维，并通过AuCl4-和MXene之间的自发还原在纤维表面形成了具有鹅卵石状的金纳米结构(AuCNS)。以该纤维为传感单元，制作了一种灵敏度高、响应时间快、耐用性好的超灵敏压力传感器。此外，由于AuCNS的优异电催化活性，可以设计用于高灵敏度检测H2O2柔性电化学传感器，同时该纤维还可用于构建纤维状摩擦纳米发电机。Wu等96利用湿法纺丝技术制备了具有多孔结构的高伸缩性和高导电性CNT/MXene-TPU混合纤维电极。基于纤维在不同应变下电容的变化，该纤维状电极可以应用于应变传感器，具有高灵敏度、快速响应和良好的柔韧性，同时该工作实现了储能和传感的多功能集成，为可穿戴电子设备提供了新的设计思路。Deng等97通过简单的浸涂法将Ti3C2TxMXene纳米片负载到织物上，并缝合具有不同涂层浓度的三个织物层。构建了既能实现压力传感又能充当柔性焦耳加热器的多功能织物(图6d)，该传感器在宽压力范围(0-140 kPa)内展示出超高灵敏度(2882-36328 kPa-1)，在可穿戴医疗保健电子产品中具有广阔的应用前景。Salauddin等98开发了在MXene/有机硅纳米复合材料表面上使用织物辅助微结构的方法，构筑了用于自供电传感器和可穿戴电子设备领域的大规模织物制备工艺，实现了捕能和传感的功能整合。

图6 MXenes功能化纤维用于柔性传感器和储能器件Fig. 6 MXenes-functionalized fibers for flexible sensors and energy storage devices.

4.1.2 气体传感

在日常生产生活中，实现对氨气(NH3)、硫化氢(H2S)和挥发性有机物(VOCs)等气态物质的有效识别和实时监测对于人类健康和工业安全生产是至关重要的。MXenes独特的表面结构非常适合吸附各种气体分子，气体的吸附/解吸过程将导致MXenes材料表面发生变化，从而影响其整体导电性，进而实现对气体的监测99。Lee等83报告了一种湿法纺丝工艺制备无金属粘合剂的Ti3C2TxMXene/石墨烯混合纤维，用于柔性可穿戴气体传感器。MXene/石墨烯的电子特性和气体吸附能力的协同效应使制造的纤维在室温下表现出对NH3超高的灵敏性。图6e所示，与单独的MXene和石墨烯相比，混合纤维表现出更佳的NH3传感性能(ΔR/R0= 6.77%)。此外，柔性MXene/石墨烯混合纤维被编织到实验外套上，展示了它们在可穿戴设备方面的巨大潜力。Tang等100使用MXene/PU芯鞘纤维制造出具有可拉伸的气体传感器，该传感器对丙酮的检测展示出高灵敏度、宽检测范围以及高信噪比等优点。并且该研究团队在纤维护鞘中开发了微裂纹结构来进一步提高MXene/PU纤维的传感性能。该传感器可以适应人体身体变形(30%)，将其编织到衣服中，可用作为具有良好传感可靠性和透气性的可穿戴气体传感器。目前，基于MXenes功能化纤维用来监测其他气体的工作报道还不多，仍需进一步开发新工艺来发展更多的柔性气体传感器。

4.1.3 湿度传感

监测大气中水分子的含量也是传感器的一个重要监测要素，由于MXenes表面具有亲水性，在环境湿度下，水分子可以自发插入，具有很大的湿度传感潜力101。Wang等102通过将MXene传感层沉积在弹簧状螺旋芯鞘涤纶纱线的表面，由此制备出兼具应变和湿度传感的纱线传感器。传感纱线的电阻在30-100% RH范围内显示出非常高的灵敏度，并且在30% RH的条件下放置50天，湿度传感器也表现出稳定的性能。

4.2 MXenes功能化纤维在储能领域的应用

传统的能量存储设备由于是刚性的，弯曲或者折叠时，很容易造成集电体开裂，影响电化学性能，甚至导致电气短路，造成严重的安全问题103。随着技术的不断发展，传统的刚性储能设备显然已不能满足柔性电子的需求。因此，能够承受机械变形并保持其电化学性能稳定的柔性储能器件已成为研究热点，现阶段研究最多的是柔性电池和柔性超级电容器这两大类储能器件。MXenes材料具有多样的电化学和结构特性，这使得它们与其他二维材料相比，在储能领域更具有竞争力，是应用于储能领域的理想材料53。

4.2.1 电池

基于MXenes功能化纤维具有良好的电学及电化学性能，并且可以承受一定的机械应力，在纤维状电池领域具有潜在的应用价值，但目前工作都是基于MXenes与其他材料复合后用于纤维状电池的电极，还存在巨大的开发空间。Wang等104提出了一种由混合液晶钨酸盐/MXene制备的纤维用于锂/钠离子电池(图6f)。受益于2D钨酸盐和MXene纳米片的排列结构提供的三维(3D)互连离子传输通道、快速电荷转移框架，该纤维电池具有高可逆容量、出色的倍率性能和出色的长期循环性能。Li等105通过湿法纺丝来制造基于石墨烯/MXene混合纤维的硫阴极，其中硫均匀分布并紧密包裹在石墨烯和MXene纳米片之间。组装的电池显示出高硫利用率(0.1C时的放电容量为1483.1 mAh·g-1)、高倍率性能(2C时为733.3 mAh·g-1)和出色的长循环稳定性(1C时，每1000次循环衰减0.043%)。此外，在5.6 mg·cm-2的高硫负载下实现了5 mAh·cm-2的可逆面积容量，显示出巨大的应用潜力。

4.2.2 超级电容器

超级电容器具有高电容、快速充放电以及可靠的循环稳定性能，是用于小型柔性电子产品有前途的储能器件。随着社会需求的增长，迫切需要开发出具有操作轻便、可穿戴性好以及性能优异的超级电容器来满足日常的需求。而实现以上特性的一种有效方法是使用纤维作为电极，相比于其他储能器件，基于MXenes的功能纤维应用在可穿戴超级电容器领域的研究较为广泛。

Hu等72通过负载MXene在镀银尼龙纤维表面为电极，然后将化学交联的PVA-H2SO4水凝胶用作固态电解质，制作成全固态超级电容器。该器件具有328 mF·cm-2的高面积电容，此外还具有出色的可循环性和柔韧性，在包括弯曲、扭曲和打结在内的各种变形模式下，电容保持率至少在80%以上，将其组装成设备可以点亮一个LED灯(图6g)。Shi等73采用编织工艺制备了同轴锌离子混合纤维超级电容器(图6h)，该电容器以数米长的Ti3C2TxMXene涂覆镀银尼龙电极作为核电极，在其表面包裹一层纤维素隔膜防止短路，并将壳锌纤维电极穿过固体电解质编织在核电极表面。同轴超级电容器表现出214 mF·cm-2的高面积电容，在5 mV·s-1时的能量密度为42.8 μWh·cm-2，并且在5000次循环后具有出色的循环稳定性和83.58%的容量保持率。Wu等106将MXene和CNT混合湿纺得到MXene/CNT纤维，然后在其上面生长ZIFL(Zn)，ZIF-L(Zn)@Ti3C2TxMXene/CNT纤维在1 mol·L-1H2SO4电解液中表现出大电容(1700 F·cm-3)和出色的倍率性能。此外，由该纤维组装的固态非对称超级电容器具有高能量密度(19.0 mWh·cm-3)、高体积电容(854 F·cm-3)、大的可变形能力以及长期循环稳定性(20000次循环)。

Zhang等74通过用导电粘合剂(PEDOT:PSS)将大量MXene负载在碳纤维表面，涂覆上电解质后组装的超级电容器在0.2 mA·cm-1条件下线电容约为131.7 mF·cm-1。Yang等84通过湿法纺丝组装MXene/rGO混合材料连续制造了柔性且高导电的杂化纤维。由该纤维构造的柔性超级电容器表现出高体积电容(586.4 F·cm-3)和高面电容(372.2 mF·cm-2)，大大优于纯GO纤维(16.4 F·cm-3和7.8 mF·cm-2)。Seyedin等107同样利用液晶纺丝制得GO/MXene纤维，这些复合纤维具有高体积电容(约341 F·cm-3)和出色的强度和柔韧性，由它制成的超级电容器装置在20000次循环后表现出出色的稳定性，并分别提供约5.1 mWh·cm-3和约1700 mW·cm-3的最大能量密度和功率密度。Guo等108首先利用CNT和Ti3C2Tx材料制备出复合纤维作为电极基体，然后利用电化学沉积方法在纤维表面沉积聚苯胺(PANI)制备复合纤维电极。将其组装成的超级电容器比电容可达65.4 F·cm-3，同时在0.8 A·cm-3电流密度下循环5000次后，比电容保持率为79%，表现出出色的稳定性能，有望用于可穿戴储能领域。

4.3 MXenes功能化纤维在其他领域的应用

除了上述的传感和储能领域，MXenes基功能化纤维在其他领域也有初步的应用。包括充当高性能导线、电磁屏蔽以及为了实现多功能集成而编织的智能织物。

4.3.1 电的传输和转换

纯Ti3C2TxMXene纤维具有极高的电导率，可取代传统导线。Eom等24利用MXene纤维作为导线(图7a)，成功点亮白色LED灯，将MXene在下一代可穿戴电子设备中具有巨大的应用前景，纤维取代商用电线并集成到耳机线中实现了传输电信号的功能。同时，Zhang等86发现MXene纤维具有快速的电热响应性能。例如，在不到0.07 s的时间内可以实现纤维温度从～26 °C增加到～68 °C，加热速率达到600 °C·s-1，这个值高于石墨烯纤维(～571 °C·s-1)，优异的电热特性使MXene纤维有望成为可穿戴加热元件的候选者。图7b显示的是使用红外相机记录的各种电压下MXene纤维中温度变化的图像。

图7 MXenes功能化纤维在功能导线和智能织物领域的应用Fig. 7 Applications of MXenes-functionalized fibers in the field of functional wires and smart fabrics.

4.3.2 电磁屏蔽

MXenes具有极其优异的电磁屏蔽性能，这一点在其他结构形式的MXenes材料中得到印证109,110，而织物状的电磁屏蔽器件报道却相对较少。Wang等111通过将原位聚合的聚吡咯(PPy)改性的Ti3C2TxMXene片沉积在PET织物上，然后浸涂一层有机硅涂层，从而制造出具有出色电磁屏蔽效能和出色电热性能的高导电性和疏水性织物。该多功能纺织品在1.3 mm的厚度下表现出约10 S·cm-1的高电导率以及约90 dB的极高的电磁屏蔽效能。Liu等112选择丝绸、棉、尼龙和氯化羊毛作为基材，采用真空辅助逐层组装技术将银纳米线(AgNWs)和Ti3C2TxMXene沉积在基材上，在基材上形成了具有叶状纳米结构的导电层，为了将上述导电丝的亲水性转化为疏水性，在环境条件下老化五个月并用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(POTS)进行涂层，从而开发出具有卓越电磁屏蔽性能、超疏水性和高度敏感的湿度响应的功能柔性纺织品，详细制备流程如图7c所示。该工艺使功能织物具有低电阻(0.8 ± 0.2 Ω·sq-1)，480 µm厚度的织物在12.4 GHz波长处展示出90 dB的出色电磁屏蔽效能。

4.3.3 多功能织物

将MXenes功能化纤维制成可以完成多种用途的智能织物，是实现功能化纤维实际应用的重要一环。东华大学武培怡课题组报道了一种具有多种感官能力的Kevlar/MXene (KM)智能纤维，该纤维可以洗涤、针织、缝制并制成智能织物。如配备该智能KM纤维传感的面罩，可以及时监测人体呼吸，为判断疾病、实现远程诊断提供重要参考。此外，还开发了一种智能温度响应式感官手套，通过提前感知周围的危险，帮助人们做出正确的行为预判并防止潜在的伤害81。Zheng等113使用简单的浸涂技术制造导电MXene/棉织物，然后夹在聚二甲基硅氧烷薄膜和叉指电极之间，制造出柔性可穿戴压阻式压力传感器，该压力传感器可用于检测和区分各种人体健康信号，包括呼吸(图7d)、手指运动、早期帕金森氏静态震颤和手腕脉搏(图7e)，此外，基于该织物获得的电子皮肤可以用于识别不同的触觉刺激。除了湿法纺丝以及浸涂工艺外，Zheng等114开发了一种新颖且简便的气相聚合(VPP)和喷涂相结合的策略，用于在纤维表面构建包含PEDOT薄膜和Ti3C2TxMXene片层的层压薄膜。如图7f所示，制备的PEDOT/MXene修饰的棉织物具有优异的电化学性能、焦耳热性能、良好的电磁屏蔽性能以及应变传感性能。

基于MXenes材料的功能纤维展现出巨大的应用前景，以上只是总结了当前研究较为热门的应用领域。可以想象的是，未来该功能纤维将会有更为广阔的应用前景，特别是在国内专家率先在国际上提出“大纤维”概念后，国内外围绕功能纤维研发及其产业化的进程明显加快，那么基于MXenes功能化纤维很大可能也会应用于航空航天，医疗健康，柔性可穿戴等领域，由此带来的改变定将对人们的日常生活产生深远的影响。尽管从综合性能上该纤维与其他碳基纤维存在差距，但随着研究的推进，MXene功能化纤维也将会在智能纤维领域占据重要地位。

5 总结和展望

自2011年首次发现MXenes材料以来，MXenes以其优异的导电性、高的机械强度、丰富的表面基团以及易于加工等特性受到越来越广泛的关注。同时，研究人员开发了一系列基于MXenes的功能纤维或纱线，在力学传感、超级电容器等领域已表现出良好的应用潜力。本文从MXenes材料的制备工艺入手，介绍了MXenes材料基本性能和基于MXenes的功能纤维的制备方法，以便为未来设计高性能功能化纤维提供参考。

但是，要完全实现基于MXenes材料的功能化纤维在柔性可穿戴等领域的应用，仍有很多问题亟待解决。首先，MXenes的制备过程通常需要使用对生物和环境有毒的含氟试剂，不可避免会有微量试剂的残留，会对人体造成不可逆的伤害，且不符合当前绿色化学的发展理念。因此，如何实现无氟制备是MXenes实用化的关键。此外，由于表面基团对MXenes材料本身的性质影响很大，而目前又难以制备具有特定尺寸、缺陷和表面基团的MXenes纳米片，仍需继续探索MXenes材料的表面化学与性质的关系。再者，MXenes纳米片的产率低，且目前研究最为广泛的仍是Ti3C2TxMXene，对于其他类型MXenes材料的系统研究还有待突破。最后，应特别注意MXenes纳米片的化学和热稳定性，尤其是在含氧气和高温的潮湿环境中，不可逆的氧化会导致MXenes永久降解，这将成为阻碍基于MXenes的功能纤维实际应用的主要难题。如何解决MXenes稳定性差的问题，科研人员还需不断探索。

当然，基于MXenes的功能纤维的探索研究目前还处于起步阶段，相对于较为成熟的碳纤维、碳纳米管纤维以及石墨烯纤维，基于MXenes的纤维在综合性能上与以上纤维仍存在较大差距，还需开发新的制备技术来获得具有优异机械、电学和电化学性能的连续纤维或纱线。但其具有独特的优势，MXenes功能化纤维制备装置简单，无需使用制备碳纳米管纤维那样复杂的装置，同时也避免了获得了氧化石墨烯纤维后需要进行还原步骤以恢复其共轭结构这一工艺，这使得其大批量生产更易实现。同时，MXenes优异的亲水性能使其易于加工，无需改性等繁琐工艺就能实现MXenes材料的宏观组装。此外，MXenes材料表面的官能团使其有望实现各种性能的调节，在柔性半导体和光电子领域具有潜在的应用前景。

除了提升以上性能之外，由于MXenes材料本身的特性，对于MXenes功能化纤维或纱线的长期稳定性、耐用性和环境影响还有待充分论证。这一点已有研究者通过MXene材料表面改性或采用同轴湿纺工艺已经得到初步解决。同时，MXenes功能化纤维目前仍然面临力学性能和电学性能难以兼顾，仍需研究者开发出新的体系或工艺来解决这个实际应用上的重大难题。将来也需要开拓该纤维新的功能，可结合其他功能材料开发出具有多响应、多功能集成的纤维。再者，从单根纤维到智能织物，仍需巧妙利用各种成熟的编织工艺来实现功能化纤维的集成，真正应用到柔性智能织物来实现人体与外界的信息交互。最后，基于MXenes的功能化纤维的应用大多数还是应变传感和超级电容器，还需研究者去挖掘更多的应用领域，拓宽其应用场景，图8总结了MXenes功能化纤维在一些领域的潜在应用，但仍有很多问题需要科研人员去解决。

图8 MXenes功能化纤维的潜在应用领域Fig. 8 Potential applications of MXenes-functionalized fibers.