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 近日，都柏林圣三一學(xué)院張傳芳高級研究員（現(xiàn)任職于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料研究所，高級科學(xué)家）和德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授通力合作，開發(fā)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(yè)級的噴墨打印和擠出打印設(shè)備，利用MXene單層納米片的高電導(dǎo)率、優(yōu)異的機械性能和獨特的表面化學(xué)性質(zhì)，高精度、規(guī)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(dǎo)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(xiàn)有的打印微型電容器件高出兩個數(shù)量級。該研究工作發(fā)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(shù)為智能電子元件的生產(chǎn)提供了個性化和批量化的可能。與傳統(tǒng)制造工藝相比，直接打印技術(shù)如噴墨打印和擠出打印允許用戶數(shù)字化生產(chǎn)器件、降低材料損失、縮短生產(chǎn)周期等。打印的核心技術(shù)在于開發(fā)具有合適流變學(xué)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(diào)控墨汁的流變學(xué)性能，或加入兩相溶劑從而改變Ohnesorge值。然而添加劑的后續(xù)處理使打印程序變得繁雜。探索出一條既能提升電極電導(dǎo)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(yīng)用價值。換句話說，開發(fā)不含添加劑的高導(dǎo)電油墨，對于低成本、規(guī)模化生產(chǎn)微型儲能器件至關(guān)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(guān)注。經(jīng)諸多研究證實MXene是很好的儲能材料。其中，Ti3C2TxMXene具備超高電導(dǎo)率（~9800 S/cm）、優(yōu)異的機械強度、良好的儲能特性等優(yōu)點。然而，將MXene應(yīng)用到打印領(lǐng)域挑戰(zhàn)頗多。

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

二，溶劑的選擇。溶劑的Hansen常數(shù)與MXene納米片能否匹配，是決定MXene墨汁穩(wěn)定期（不絮凝）的關(guān)鍵；

三，墨汁與基材的匹配。只有當(dāng)基材的表面化學(xué)適當(dāng)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(huán)效應(yīng)；

四，溶劑的揮發(fā)動力學(xué)。液滴的干燥動力學(xué)控制著所打印器件的精度和分辨率。

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，普遍的應(yīng)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(xué)特性，提升粘度和打印電極的電導(dǎo)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(fā)的MXene粘稠水系墨汁，研究者們通過優(yōu)化墨汁制備工藝、選擇合適的溶劑、改性基材的表面化學(xué)性質(zhì)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(zhì)，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(xiàn)規(guī)模化、集成化生產(chǎn)高精度的器件，具有很大的潛在應(yīng)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(shù)，MXene納米片/油相系統(tǒng)可以穩(wěn)定存在，油墨可以穩(wěn)定存儲至少半年以上不發(fā)生絮凝。通過匹配基材的表面化學(xué)，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(chǎn)生咖啡環(huán)效應(yīng)。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(dǎo)線；通過控制打印的次數(shù)，可以實現(xiàn)導(dǎo)線的電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控；通過調(diào)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(shù)打印了基于MXene水系墨汁的微型器件，如微型超級電容和導(dǎo)線（圖4）。實際上，利用擠出打印技術(shù)，輔助計算機設(shè)計，可以實現(xiàn)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(dǎo)率，使得墨汁具有很高的品質(zhì)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(yīng)和長程穩(wěn)定性。通過控制打印層數(shù)便可實現(xiàn)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(dǎo)線則具有十分優(yōu)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(shù)的重要性不言而喻，其應(yīng)用方面已不僅限于能源轉(zhuǎn)換和存儲領(lǐng)域，而在其他領(lǐng)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(guī)模化的領(lǐng)域，該技術(shù)也具有很大的潛在應(yīng)用價值。

總結(jié)與展望

本文研究人員開發(fā)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(yōu)化墨汁開發(fā)工藝、匹配基材的表面化學(xué)、墨汁與基材的交互性質(zhì)，可以實現(xiàn)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(lǐng)域的應(yīng)用，并為規(guī)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(xué)院張傳芳高級研究員研究小組（現(xiàn)已加入瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料研究所）在MXene的制備與儲能應(yīng)用領(lǐng)域的研究不斷取得新的進展。通過探索MXene的制備工藝，開發(fā)了MXene水系、油系粘稠墨汁和復(fù)合墨汁，闡明了MXene的不穩(wěn)定機理，并提出了大幅延長MXene壽命的有效措施。所開發(fā)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(lǐng)域均展現(xiàn)出優(yōu)異的儲能特性。這些相關(guān)的研究工作發(fā)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(fā)和高面容量硅負極等領(lǐng)域申請了一系列發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會IFAM新材料產(chǎn)業(yè)與技術(shù)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。