噴墨打印MXene油墨制備微型超級(jí)電容器
哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院劉婧媛老師團(tuán)隊(duì)研究了微型超級(jí)電容器（MSC）制造中不含添加劑的氮硫共摻雜MXene油墨，并使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)以300μm的電極間距直接制備平面MSC，所制備的MSC具有710 F cm?3的體積電容，在411 mW?cm?3功率密度下具有8.9 mWh?cm?3的能量密度，長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性達(dá)94.6%，遠(yuǎn)好于之前報(bào)道的噴墨打印制造的MSC。
介紹
柔性微型電子和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最近的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了超越簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)高性能的地步，通過(guò)結(jié)合可定制的形狀、靈活性和與微電子的無(wú)縫集成來(lái)設(shè)計(jì)先進(jìn)的微型超級(jí)電容器（MSC），噴墨打印是一種具有優(yōu)異精度的非接觸式打印技術(shù)，并且由于完全按需滴落（DOD）的機(jī)制，不需要模具進(jìn)行圖案化，并且能夠無(wú)縫集成不同形狀的微型設(shè)備，從而提供定制的性能。故噴墨技術(shù)廣泛用于柔性電子器件的制備。
MXenes是一系列由碳化物和氮化物（以X表示）組成的2D過(guò)渡金屬（M），由于其高的表面體積比和極性溶劑分散性，被視為理想的分散介質(zhì)。開(kāi)發(fā)具有高抗氧化能力、印刷穩(wěn)定性、優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)和低成本生產(chǎn)工藝的MXene基噴墨打印墨水至關(guān)重要。劉婧媛老師團(tuán)隊(duì)研究了無(wú)添加劑的Ti3C2Tx?MXene與氮和硫（N，S-MXene）油墨共摻雜的油墨，專為噴墨打印而設(shè)計(jì)。MXene的制備和N，S摻雜工藝以及用于微型超級(jí)電容器的N，S-MXene油墨的噴墨打印如圖1所示。
為了展示N，S-MXene噴墨墨水在微型儲(chǔ)能裝置領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，使用MicroFab Jetlab II噴墨打印設(shè)備以制備平面MSC，如圖2所示，通過(guò)AFM測(cè)量N，S-MXene微電極的厚度，并計(jì)算出25層的厚度約為146nm，哈爾濱工程大學(xué)的徽章用N，S-MXene墨水打印在相紙上，展示了Jetlab II噴墨打印設(shè)備打印N，S-MXene墨水制作高精度微結(jié)構(gòu)圖案的能力。
如圖3所示，所制備的MSC具有710 F cm?3的體積電容，在411 mW cm?3功率密度下具有8.9 mWh cm?3的能量密度，長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性高達(dá)94.6%，遠(yuǎn)好于之前報(bào)道的噴墨打印制造的MSC。N，S-MXene MSC的可定制性可以通過(guò)將它們以不同形狀串聯(lián)和并聯(lián)連接所證明（圖3d的插圖），在不同彎曲角度下0°至180°, N，S-MXene MSC的所有CV曲線幾乎相同（圖3f），表明其具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性。
結(jié)論
通過(guò)研究可知，定制的MSC可以通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)整自動(dòng)制造，提供高分辨率的形狀多樣的圖案，具有710 F cm?3的優(yōu)異體積電容，噴墨打印的MSC在411 mW cm?3的功率密度下顯示出8.9 mWh cm?3的超高能量密度，氮和硫原子的摻雜改善了微電極的抗氧化性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致了長(zhǎng)期的循環(huán)穩(wěn)定性，10000次循環(huán)后電容保持率為94.6%。先進(jìn)的噴墨打印為MSC提供了多種可能性，加速了用于下一代儲(chǔ)能設(shè)備的噴墨打印墨水的開(kāi)發(fā)，使噴墨打印設(shè)備可以在自供電、可穿戴、易于集成和植入式微電子器件的制備中廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] Pengcheng Sun, Jingyuan Liu, Qi Liu, Jing Yu, Rongrong Chen, Jiahui Zhu, Gaohui Sun, Ying Li, Peili Liu, Jun Wang. Nitrogen and sulfur co-doped MXene ink without additive for high-performance inkjet-printing micro-supercapacitors[J]. Chemical Engineering Journal, Volume 450, Part 4, 2022.
