一種可制造超級(jí)電容的MXene 油墨和3D打印技術(shù)

來源：3D科學(xué)谷

曼徹斯特大學(xué)國立石墨烯研究所和材料學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電油墨與儲(chǔ)能設(shè)備3D打印領(lǐng)域進(jìn)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(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備使用。

曼徹斯特大學(xué)形象地將這一應(yīng)用稱之為“實(shí)現(xiàn)2D材料的3D制造”。

sem3D打印MXene材料，來源：曼徹斯特大學(xué)

導(dǎo)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(shí)顯示出高導(dǎo)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(xué)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(dǎo)電性，比鋼更強(qiáng)、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(yīng)用中發(fā)揮出二維材料的特性尤為重要。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們證明了大量的MXene薄片可以覆蓋幾個(gè)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(dú)立結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)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(jí)薄（1–3 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(shè)備制造高比表面積的能量存儲(chǔ)器，例如無集電器的超級(jí)電容器。相比傳統(tǒng)電容器，超級(jí)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(dǎo)電性，并且體積更小。

超級(jí)電容等能量存儲(chǔ)設(shè)備性能的提升越來越依賴于創(chuàng)新材料和可擴(kuò)展的制造方式，曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為MXene油墨及其3D打印技術(shù)為能量存儲(chǔ)設(shè)備的制造提供了更多機(jī)會(huì)，制造那些通常需要復(fù)雜的3D架構(gòu)，但傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備。能量存儲(chǔ)設(shè)備的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括電動(dòng)汽車、移動(dòng)電話等電子設(shè)備。

正如曼徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)所述，MXene 材料在能量存儲(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。這些應(yīng)用能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵在于，MXene 墨水材料的研制工作能夠提供一種易于實(shí)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(xué)也開展了相關(guān)研究。

美國德雷克塞爾大學(xué)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(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種用于直寫印刷技術(shù)的無添加劑MXene墨水?；谒軇┖陀袡C(jī)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(yàn)證了其可行性。同時(shí)，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(lǐng)域，顯示了該MXene墨水的良好應(yīng)用前景。