一種可制造超級電容的MXene 油墨和3D打印技術(shù)

來源：3D科學谷

曼徹斯特大學國立石墨烯研究所和材料學院的研究團隊在導電油墨與儲能設備3D打印領域進行了研究，他們通過3D打印技術(shù)和MXene 材料制造了叉指形電極，該電極可供超級電容器等儲能設備使用。

曼徹斯特大學形象地將這一應用稱之為“實現(xiàn)2D材料的3D制造”。

sem3D打印MXene材料，來源：曼徹斯特大學

導電性更好體積更小
之所以將打印油墨稱為2D材料，是由于MXene是一種類石墨烯的二維層狀材料，它是一種金屬碳化物和金屬氮化物材料，MXene材料在干燥時顯示出高導電性與親水性，因此易于分散在水性懸浮液和油墨中。

曼徹斯特大學是石墨烯材料的誕生地，石墨烯（Graphene ）是世界上第一種二維材料，它比銅更具導電性，比鋼更強、柔韌并且更加透明，石墨烯材料的誕生為探索其他二維材料打開了大門。

每種二維材料都具有一系列不同的特性，制造方法和材料配方對于在具體應用中發(fā)揮出二維材料的特性尤為重要。研究團隊表示，他們證明了大量的MXene薄片可以覆蓋幾個原子厚度，水被用于配制具有特定粘彈性行為的可印刷油墨，通過3D打印技術(shù)可以制造超過20層的獨立結(jié)構(gòu)。

研究團隊發(fā)表于Advanced Materials 期刊中的論文中表明，MXene 3D打印油墨材料由原子級?。?–3 nm）的二維金屬碳化物（Ti3C2Tx ）組成，橫向尺寸約為8μm，并具有理想粘彈性。

該材料可通過基于材料擠出工藝的3D打印設備制造高比表面積的能量存儲器，例如無集電器的超級電容器。相比傳統(tǒng)電容器，超級電容能夠在使用更少的能量下產(chǎn)生大量功率，具有優(yōu)異的導電性，并且體積更小。

超級電容等能量存儲設備性能的提升越來越依賴于創(chuàng)新材料和可擴展的制造方式，曼徹斯特大學的研究團隊認為MXene油墨及其3D打印技術(shù)為能量存儲設備的制造提供了更多機會，制造那些通常需要復雜的3D架構(gòu)，但傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的設備。能量存儲設備的潛在應用領域包括電動汽車、移動電話等電子設備。

正如曼徹斯特大學研究團隊所述，MXene 材料在能量存儲設備領域具有應用潛力。這些應用能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵在于，MXene 墨水材料的研制工作能夠提供一種易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的解決方案，在這一方面，最早研發(fā)出MXene 材料的美國德雷克塞爾大學也開展了相關研究。

美國德雷克塞爾大學MXene 材料的發(fā)明人Yury Gogotsi教授等人與愛爾蘭都柏林圣三一學院的研究團隊合作報道了一種用于直寫印刷技術(shù)的無添加劑MXene墨水。基于水溶劑和有機溶劑兩種體系，研究人員嘗試了擠出打印和噴墨打印兩種打印方式，驗證了其可行性。同時，通過打印得到的微型電容器（MSCs）表現(xiàn)出了高面積比容量和高體積比容量。該墨水具有廣泛的普適性，可拓展至電阻器印刷制備等領域，顯示了該MXene墨水的良好應用前景。