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 近日，都柏林圣三一學院張傳芳高級研究員（現任職于瑞士聯邦理工學院聯邦材料研究所，高級科學家）和德雷塞爾大學Yury Gogotsi教授通力合作，開發了不含任何添加劑或兩相溶劑的MXene水系墨汁和油系墨汁，借助工業級的噴墨打印和擠出打印設備，利用MXene單層納米片的高電導率、優異的機械性能和獨特的表面化學性質，高精度、規模化、集成式制備了MXene基微型器件和電子元件，如微型超級電容器、歐姆電阻、導線等。用作微型超級電容器時，器件具有很高的體積電容和能量密度，比現有的打印微型電容器件高出兩個數量級。該研究工作發表在Nature Communications上，其中張傳芳研究員為論文的第一作者和通訊作者。Yury Gogotsi教授和Valeria Nicolosi教授為共同通訊作者。

張傳芳研究員在海外高科技項目路演會作精彩報告

功能材料的直接打印技術為智能電子元件的生產提供了個性化和批量化的可能。與傳統制造工藝相比，直接打印技術如噴墨打印和擠出打印允許用戶數字化生產器件、降低材料損失、縮短生產周期等。打印的核心技術在于開發具有合適流變學性能（主要是表面張力和粘度）的墨汁。在目前所報道的打印微型器件工作中，絕大部分的功能性墨汁都含有添加劑。這些添加劑或用來調控墨汁的流變學性能，或加入兩相溶劑從而改變Ohnesorge值。然而添加劑的后續處理使打印程序變得繁雜。探索出一條既能提升電極電導率和機械性能，又無需加入添加劑或兩相溶劑的路徑，具有重要的實際應用價值。換句話說，開發不含添加劑的高導電油墨，對于低成本、規模化生產微型儲能器件至關重要。

作為一個新興的二維材料家族，過渡金屬碳氮化物（俗稱MXene）受到了前所未有的關注。經諸多研究證實MXene是很好的儲能材料。其中，Ti3C2TxMXene具備超高電導率（~9800 S/cm）、優異的機械強度、良好的儲能特性等優點。然而，將MXene應用到打印領域挑戰頗多。

一，MXene墨汁的制備。墨汁的流變學性能與打印機噴頭的良好匹配，是噴出單個液滴的關鍵，也是提升打印精度的前提；

二，溶劑的選擇。溶劑的Hansen常數與MXene納米片能否匹配，是決定MXene墨汁穩定期（不絮凝）的關鍵；

三，墨汁與基材的匹配。只有當基材的表面化學適當時，已噴出的墨汁液滴才能很好的潤濕基材，從而減弱咖啡環效應；

四，溶劑的揮發動力學。液滴的干燥動力學控制著所打印器件的精度和分辨率。

為了應對上述挑戰，普遍的應對措施是將添加劑/兩相溶劑引入到功能材料中，從而改善墨汁的流變學特性，提升粘度和打印電極的電導率等。雖然具有高精度的器件已有報道，但無添加劑/兩相溶劑的MXene墨汁直接打印微型器件和電子元件，目前尚無成功的先例。

研究亮點

基于張傳芳研究員所開發的MXene粘稠水系墨汁，研究者們通過優化墨汁制備工藝、選擇合適的溶劑、改性基材的表面化學性質等策略，得到了不含添加劑或兩相溶劑的MXene水系墨汁和油系墨汁。兩種墨汁截然不同的理化性質，決定了不同的器件打印路徑。粘稠的水系墨汁用于直接擠出打印，而粘稠的油系墨汁則用于直接噴墨打印（圖1）。兩種打印思路均可實現規模化、集成化生產高精度的器件，具有很大的潛在應用價值。

圖1 兩種MXene墨汁分別用于噴墨打印和擠出打印微型元器件

研究人員首先制備了Ti3C2Tx MXene油系墨汁。將Ti3C2Tx MXene納米片分散在NMP、DMF、DMSO、乙醇等有機溶劑中。由于具有相似Hansen常數，MXene納米片/油相系統可以穩定存在，油墨可以穩定存儲至少半年以上不發生絮凝。通過匹配基材的表面化學，在PET板材上鍍一層AlOx膜，便可使得噴墨出來的油系墨汁很好的潤濕基材表面，而且均勻干燥，不產生咖啡環效應。良好的噴出效果、潤濕效果和干燥效果，使得噴墨打印MXene油系墨汁具有很高的精度和分辨率（圖2）。利用噴墨打印的手段，可以很快捷的打印導線；通過控制打印的次數，可以實現導線的電學性質的調控；通過調控油墨濃度，便可快速打印歐姆電阻元件和其他器件，如天線和射頻識別器件（圖3）。

圖2 Ti3C2Tx 有機墨汁的表征及其用于噴墨打印

圖3 基于Ti3C2Tx有機墨汁打印的表征，包括微型超級電容和電阻元件

研究人員進一步用擠出打印技術打印了基于MXene水系墨汁的微型器件，如微型超級電容和導線（圖4）。實際上，利用擠出打印技術，輔助計算機設計，可以實現任何圖案的高分辨率打印（圖4）。水系墨汁兼具高濃度和高電導率，使得墨汁具有很高的品質因子，遠超石墨烯和碳納米管漿料（圖4）。

圖4 Ti3C2Tx 水系墨汁的表征及其用于擠出打印

所打印的微型超級電容都具有很好的電容行為響應和長程穩定性。通過控制打印層數便可實現具有高面容量的器件。噴墨打印的器件具有很高的體積容量（562 F/cm³），而擠出打印器件則具有很高的面容量和面能量密度（圖5）。擠出打印的導線則具有十分優異的機械彎曲特性。

圖5 所打印的Ti3C2Tx 基微型超級電容器件性能表征

事實上，直接打印MXene墨汁技術的重要性不言而喻，其應用方面已不僅限于能源轉換和存儲領域，而在其他領域如電子電路、電磁屏蔽、天線、射頻識別、包裝和傳感等需要集成式、個性化、規模化的領域，該技術也具有很大的潛在應用價值。

總結與展望

本文研究人員開發了MXene油系和水系墨汁用于高效打印微型儲能器件和電子元件。通過優化墨汁開發工藝、匹配基材的表面化學、墨汁與基材的交互性質，可以實現高精度可控打印微型器件和電子元件，極大的拓寬了MXene在電子、電路、儲能領域的應用，并為規模化、集成式制備高性能器件指明了方向。

團隊介紹

近年來，都柏林圣三一學院張傳芳高級研究員研究小組（現已加入瑞士聯邦理工學院聯邦材料研究所）在MXene的制備與儲能應用領域的研究不斷取得新的進展。通過探索MXene的制備工藝，開發了MXene水系、油系粘稠墨汁和復合墨汁，闡明了MXene的不穩定機理，并提出了大幅延長MXene壽命的有效措施。所開發的MXene墨汁在超級電容器、高載量高容量鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池等領域均展現出優異的儲能特性。這些相關的研究工作發表在Nature（專著）, Nature Energy, Nature Communications, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater.， JMCA等期刊，并在墨汁開發和高面容量硅負極等領域申請了一系列發明專利。

張傳芳高級研究員曾于2018年9月18日參加國家新材料產業發展戰略咨詢委員會IFAM新材料產業與技術投資促進國際論壇與海外高科技項目路演會，并作了精彩報告。