一種可製造超級電容的MXene 油墨和3D列印技術

2019-08-07    文章出處： 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列印領域進行了研究，他們通過3D列印技術和MXene 材料製造了叉指形電極，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2D材料的3D製造」。

3D列印MXene材料，來源：曼徹斯特大學
導電性更好體積更小
之所以將列印油墨稱為2D材料，是由於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材料在乾燥時顯示出高導電性與親水性，因此易於分散在水性懸浮液和油墨中。[1]


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、柔韌並且更加透明，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，製造方法和材料配方對於在具體應用中發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，水被用於配製具有特定粘彈性行為的可印刷油墨，通過3D列印技術可以製造超過20層的獨立結構。
研究團隊發表於Advanced Materials 期刊中的論文中表明，MXene 3D列印油墨材料由原子級薄（1–3 nm）的二維金屬碳化物（Ti3C2Tx ）組成，橫向尺寸約為8μm，並具有理想粘彈性。
該材料可通過基於材料擠出工藝的3D列印設備製造高比表面積的能量存儲器，例如無集電器的超級電容器。[2] 相比傳統電容器，超級電容能夠在使用更少的能量下產生大量功率，具有優異的導電性，並且體積更小。
超級電容等能量存儲設備性能的提升越來越依賴於創新材料和可擴展的製造方式，曼徹斯特大學的研究團隊認為MXene油墨及其3D列印技術為能量存儲設備的製造提供了更多機會，製造那些通常需要複雜的3D架構，但傳統製造技術難以實現的設備。能量存儲設備的潛在應用領域包括電動汽車、行動電話等電子設備。


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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。這些應用能否實現產業化應用的關鍵在於，MXene 墨水材料的研製工作能夠提供一種易於實現批量化生產的解決方案，在這一方面，最早研發出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 材料的發明人Yury Gogotsi教授等人與愛爾蘭都柏林聖三一學院的研究團隊合作報道了一種用於直寫印刷技術的無添加劑MXene墨水。基於水溶劑和有機溶劑兩種體系，研究人員嘗試了擠出列印和噴墨列印兩種列印方式，驗證了其可行性。同時，通過列印得到的微型電容器（MSCs）表現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製備等領域，顯示了該MXene墨水的良好應用前景。[3]
[1] MXene是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。它最初於2011年報道，由於MXene材料表面有羥基或末端氧，它們有著過渡金屬碳化物的金屬導電性。
[2] Advanced Materials 中發表的論文為」3D Printing of Freestanding MXene Architectures for Current‐Collector‐Free Supercapacitors」。


[3] 參考來源：能源學人，《無添加劑MXene墨水印刷製備微型超級電容器》。
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