一种可制造超级电容的MXene 油墨和3D打印技术

曼彻斯特大学国立石墨烯研究所和材料学院的研究团队在导电油墨与储能设备3D打印领域进行了研究,他们通过3D打印技术和MXene 材料制造了叉指形电极,该电极可供超级电容器等储能设备使用。

曼彻斯特大学形象地将这一应用称之为“实现2D材料的3D制造”。

sem3D打印MXene材料,来源:曼彻斯特大学

block 导电性更好体积更小

之所以将打印油墨称为2D材料,是由于MXene是一种类石墨烯的二维层状材料,它是一种金属碳化物和金属氮化物材料,MXene材料在干燥时显示出高导电性与亲水性,因此易于分散在水性悬浮液和油墨中。[1]

曼彻斯特大学是石墨烯材料的诞生地,石墨烯(Graphene )是世界上第一种二维材料,它比铜更具导电性,比钢更强、柔韧并且更加透明,石墨烯材料的诞生为探索其他二维材料打开了大门。

每种二维材料都具有一系列不同的特性,制造方法和材料配方对于在具体应用中发挥出二维材料的特性尤为重要。研究团队表示,他们证明了大量的MXene薄片可以覆盖几个原子厚度,水被用于配制具有特定粘弹性行为的可印刷油墨,通过3D打印技术可以制造超过20层的独立结构。

研究团队发表于Advanced Materials 期刊中的论文中表明,MXene 3D打印油墨材料由原子级薄(1–3 nm)的二维金属碳化物(Ti3C2Tx )组成,横向尺寸约为8μm,并具有理想粘弹性。

该材料可通过基于材料挤出工艺的3D打印设备制造高比表面积能量存储器,例如无集电器的超级电容器。[2] 相比传统电容器,超级电容能够在使用更少的能量下产生大量功率,具有优异的导电性,并且体积更小

超级电容等能量存储设备性能的提升越来越依赖于创新材料可扩展的制造方式,曼彻斯特大学的研究团队认为MXene油墨及其3D打印技术为能量存储设备的制造提供了更多机会,制造那些通常需要复杂的3D架构,但传统制造技术难以实现的设备。能量存储设备的潜在应用领域包括电动汽车、移动电话等电子设备。

block 3D科学谷Reivew

正如曼彻斯特大学研究团队所述,MXene 材料在能量存储设备领域具有应用潜力。这些应用能否实现产业化应用的关键在于,MXene 墨水材料的研制工作能够提供一种易于实现批量化生产的解决方案,在这一方面,最早研发出MXene 材料的美国德雷克塞尔大学也开展了相关研究。

美国德雷克塞尔大学MXene 材料的发明人Yury Gogotsi教授等人与爱尔兰都柏林圣三一学院的研究团队合作报道了一种用于直写印刷技术的无添加剂MXene墨水。基于水溶剂和有机溶剂两种体系,研究人员尝试了挤出打印和喷墨打印两种打印方式,验证了其可行性。同时,通过打印得到的微型电容器(MSCs)表现出了高面积比容量和高体积比容量。该墨水具有广泛的普适性,可拓展至电阻器印刷制备等领域,显示了该MXene墨水的良好应用前景。[3]

[1] MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它最初于2011年报道,由于MXene材料表面有羟基或末端氧,它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。

[2] Advanced Materials 中发表的论文为”3D Printing of Freestanding MXene Architectures for Current‐Collector‐Free Supercapacitors”。

[3] 参考来源:能源学人,《无添加剂MXene墨水印刷制备微型超级电容器》。

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