孫靖宇&邵元龍Adv. Energy Mater.：多孔氮摻MXene墨水助力打印化儲能體系的構建

【引言】

MXenes是一種新興的二維材料，擁有較高的導電性、親水性和比電容，在光電、生物及能源等領域具有廣闊的應用前景。它們獨特的結構和表面官能團，使其具有許多優異性能，但是與其他二維材料類似，其堆疊、團聚問題極大的制約了MXenes性能的發揮。通過分子間靜電吸附作用力將帶負電的MXene片層包裹在三聚氰胺甲醛樹脂（MF）小球表面，最后通過煅燒得到氮摻雜多孔MXene (MXene-N)，不僅可以降低MXene片層的堆疊，而且氮摻多孔的結構設計也有利于提升材料的電化學性能。同時借助直接打印技術（例如：絲網印刷，擠出式打印等）在構筑柔性可穿戴器件、個性化訂制器件等方面的優點，并調控MXene-N基墨水的粘度分別適用于2D和3D打印技術，制備了具有高容量打印化的電化學儲能器件。

【成果簡介】

近日，蘇州大學能源學院、能源與材料創新研究院孫靖宇教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）邵元龍博士（共同通訊作者）等采用靜電吸附作用力將帶負電的MXene與帶正電的MF結合，其中MF作為模板并提供氮源，最終得到了多孔的MXene-N材料。論文的共同第一作者為課題組的博士研究生余良浩和碩士研究生樊趙地。將活性材料分別于LA132、GO調配成不同粘度的墨水分別適用于2D和3D打印，同時研究了不同墨水組分的比例對其流變性能的影響，并構筑成不同的儲能器件。分別制備相對而言低/高粘度的MXene-N墨水，通過絲網印刷和擠出式打印，得到的儲能器件的面積容量分別為70.1 mF cm^?2和8.2 F cm^?2。這種通過對材料進行設計，并調整墨水濃度適合不同打印方式的電極器件能夠為下一代定制化儲能應用提供基礎。相關成果以“Versatile N-doped MXene Ink for Printed Electrochemical Energy Storage Application”為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖 1：MXene-N的合成過程及其墨水與不同打印技術相結合示意圖

左為多孔MXene-N的制備過程示意圖；右為通過調節不同粘度的MXene-N的墨水分別用于不同的打印技術示意圖。

圖 2：所制備的多孔MXene-N的結構表征

（a, b）MXene-N的SEM圖像；

（c, d）MXene-N的TEM圖像；

（e）MXene-N 片層表征層間距的HRTEM圖像；

（f）MXene-N的HAADF圖像以及對應區域的元素分布；

（g）Etched、Exfoliated和Crumpled的MXene XRD圖譜;

（h, i）MXene-N的XPS N 1s和Ti 2p圖譜。

圖 3：絲網印刷構筑2D儲能器件

（a）絲網印刷構筑儲能器件的工藝流程圖；

（b）制備MXene-N電極的SEM截面圖以及Ti、C、N的元素分布；

（c-e）MXene-N墨水的流變性能測試；

（f, g）在不同基底上打印MXene-N叉指型電極及其對應的不同彎折狀態。

圖 4：絲網印刷2D儲能器件的電化學性能

（a）準固態微型超級電容器的示意圖；

（b）MXene-N構筑的儲能器件在不同掃速下的CV曲線；

（c）對比MXene-N和純MXene構筑的儲能器件在不同掃速下的面積比電容；

（d）MXene-N構筑的儲能器件循環容量保持率，插圖為不同循環次數GCD曲線；

（e, f）在PI基底上，打印的MXene-N器件的不同彎曲狀態及其對應的CV曲線；

（g, h）分別測試了單個、串聯、并聯儲能器件的GCD和CV曲線。

（i）對比其它基于2D材料通過打印構筑的儲能器件的面積容量。

圖 5：3D打印構筑MXene-N基超級電容器及其電化學性能

（a, b）制備3D打印的墨水及其打印出的不同形狀；

（c）AC/M-N和AC為主體的墨水的流變性能，插圖為墨水的的穩定性測試；

（d）通過控制針頭的內徑來打印不同線寬的電極寬度統計；

（e, f）打印不同層數電極的SEM圖像及其對應區域的元素分布；

（g）通過打印不同的電極層數來控制儲能器件的面積容量，插圖為三電極測試實物圖；

（h, i）分別對比通過3D和2D打印構筑儲能器件的面積容量以及面積能量密度。

【小結】

本文提供一種可以調節不同粘度的墨水，并分別適用于2D和3D的打印方式。通過設計氮摻多孔MXene材料，對于電極材料而言不僅改善了二維材料片層堆疊的問題，而且多孔和氮摻特征也有助于提高其電化學性能。制備低粘度的MXene-N墨水，通過2D絲網印刷得到柔性微超電，其面積容量為70.1 mF cm^?2。進一步通過氧化石墨烯來調節漿料粘度并適用于3D打印，最高面積和體積能量密度為0.42 mWh cm^?2、0.83 mWh cm^?3。這項工作為打印多維電極結構并構筑高能量密度電化學儲能系統提供了合理的方案。

文獻鏈接：Versatile N-doped MXene Ink for Printed Electrochemical Energy Storage Application (Advanced Energy Materials, 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901839)。

本文由材料人編輯部編譯整理，論文通訊作者孫靖宇教授修正稿件。

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