人們對電子設(shè)備的不斷增長的需求促使行業(yè)亟需開發(fā)新型、低成本和高產(chǎn)量的制造方法。油墨印刷和涂布是一種很有潛力的技術(shù),可規(guī)�；苽湮⑿碗娮悠骷�。然而,功能性油墨的缺乏使得柔性電子的規(guī)模化印刷打印受到極大的制約。MXenes,作為一種新型二維材料,由于其出色的化學(xué)、電氣、光學(xué)和機(jī)械性能,迅速受到了研究者的極大關(guān)注。其豐富的官能團(tuán),表面電荷、本征親水特性使得高濃度的MXene油墨具有優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性,因此,MXene成為功能性油墨配方的最佳選擇。在MXene所報道的電子器件應(yīng)用中,電化學(xué)儲能器件是研究最為熱門的領(lǐng)域。為此,簡要介紹了MXenes及其合成方法之后,討論了油墨的配方策略,并回顧了一些基于MXenes印刷和涂布構(gòu)筑高性能電化學(xué)儲能器件方面的最新工作。為后續(xù)MXene用于規(guī)�；娀瘜W(xué)儲能器件的制造提供思路。 

【文章來源】：陶瓷學(xué)報. 2020,41(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

MXene不同的原子結(jié)構(gòu)(a)[13]，組成MXene的化學(xué)元素分布(b)[12]，關(guān)于MXene刻蝕和剝離(c)[14]

與低濃度油墨相比，高濃度油墨在印刷同等厚度的功能化器件中所需的時間更少，或者說每次印刷上的油墨更多，從而更加高效的批量化制備EESDs。理想的油墨應(yīng)該同時具備高濃度(C)和高電導(dǎo)率(σ)[48]。為此，提出了品質(zhì)因子Fo M=σC(S·cm-1·mg·m L-1）來評價所獲得墨汁的電導(dǎo)和濃度。品質(zhì)因子越高，意味著該導(dǎo)電油墨越適合批量化印刷微電子器件。例如，Zhang等人配制的Ti3C2 MXene水系墨汁(濃度～36 mg·m L-1，表觀粘度～0.71 Pa·s)(圖3(a))具有超高的Fo M(66996S·cm-1·mg m L-1)[48]，比文獻(xiàn)報道中最佳的石墨烯油墨(6000 S·cm-1·mg·m L-1)的Fo M值高出11倍[49](圖3(b))，所擠出打印的MXene微型超級電容亦展示了高達(dá)0.32μWh·cm-2的能量密度和158μW·cm-2的高功率密度(圖3(c))。Zhang等人還開發(fā)了另外兩種具有類似流變特性的水性油墨(Ti3C2和Ti3CN)，用于批量化制備微型超級電容的蓋章輥壓技術(shù)(圖3(d))，從而實(shí)現(xiàn)了微型器件的個性化設(shè)計[50]。實(shí)際上，由于其巨大的產(chǎn)量，這兩種技術(shù)印刷打印和蓋章輥壓技術(shù)，對批量化印刷MXene油墨以制備EESDs都頗具吸引力。為了進(jìn)一步提高面功率和能量密度，需要進(jìn)一步提升懸浮液濃度，得到具有更高固體含量(>20wt.%)的MXene導(dǎo)電油墨。這種高度粘稠的油墨非常適合于絲網(wǎng)印刷和3D打印技術(shù)。最近，由Zhang及其同事基于廢棄的MXene沉淀，通過添加少量的d-MXene(約2%)，利用剝離的MXene納米片對未剝離完全的MXene層狀晶體和未反應(yīng)完全的MAX晶體進(jìn)行有效的氫鍵和范德華力結(jié)合，從而形成了一種新型的Ti3C2水系穩(wěn)定粘稠油墨，且其固體含量高達(dá)22wt.%。借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)微型超級電容的大規(guī)模印刷(圖3(e-g))，并且所得的MSCs的面電容和能量密度非常高(分別為158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。實(shí)際上，層狀晶體的低剝離程度意味著可以在不大幅度增加粘度的情況下提高固體含量[17]，這便為制備高固含量油墨提升了思路。換句話講，二維材料的剝離產(chǎn)率低導(dǎo)致的廢棄MXene沉淀，可以借助添加極少量的剝離MXene，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，得到高固含量的導(dǎo)電油墨(圖3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型儲能器件和其它微電子器件(圖3(g))。

為了進(jìn)一步提高面功率和能量密度，需要進(jìn)一步提升懸浮液濃度，得到具有更高固體含量(>20wt.%)的MXene導(dǎo)電油墨。這種高度粘稠的油墨非常適合于絲網(wǎng)印刷和3D打印技術(shù)。最近，由Zhang及其同事基于廢棄的MXene沉淀，通過添加少量的d-MXene(約2%)，利用剝離的MXene納米片對未剝離完全的MXene層狀晶體和未反應(yīng)完全的MAX晶體進(jìn)行有效的氫鍵和范德華力結(jié)合，從而形成了一種新型的Ti3C2水系穩(wěn)定粘稠油墨，且其固體含量高達(dá)22wt.%。借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)微型超級電容的大規(guī)模印刷(圖3(e-g))，并且所得的MSCs的面電容和能量密度非常高(分別為158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。實(shí)際上，層狀晶體的低剝離程度意味著可以在不大幅度增加粘度的情況下提高固體含量[17]，這便為制備高固含量油墨提升了思路。換句話講，二維材料的剝離產(chǎn)率低導(dǎo)致的廢棄MXene沉淀，可以借助添加極少量的剝離MXene，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，得到高固含量的導(dǎo)電油墨(圖3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型儲能器件和其它微電子器件(圖3(g))。由于MXene納米片具有強(qiáng)的靜電排斥作用，傳統(tǒng)的提高膠體懸浮液濃度的技術(shù)(如離心法)并不適用。高溫蒸發(fā)會導(dǎo)致MXene氧化，因此亦不可取。Beidaghi等人另辟蹊徑，用超吸水性聚乙二醇顆粒去除合成的MXene懸浮液中多余的水分，并將濃度從10 mg·m L-1提高到290 mg·m L-1，從而得到了可3D打印的油墨。該油墨表現(xiàn)出剪切變稀的行為，并具有一定的最小屈服應(yīng)力(取決于打印機(jī))。事實(shí)上，只有精確調(diào)整配方油墨的粘彈性，才能確保打印結(jié)構(gòu)中的形狀保持和層間附著力。而存儲模量與損耗模量之比(G"/G"")可當(dāng)做是評估油墨的3D可打印性的一個有用的標(biāo)準(zhǔn)，其理想值區(qū)域?yàn)?<G"/G""<20(圖3(h))。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Nitrides（MXenes）: Synthesis, Properties, and Electrochemical Energy Storage Applications[J]. Chuanfang （John） Zhang,Yonglu Ma,Xuetao Zhang,Sina Abdolhosseinzadeh,Hongwei Sheng,Wei Lan,Amir Pakdel,Jakob Heier,Frank Nüesch.  能源與環(huán)境材料(英文). 2020(01)



本文編號：3451638