Advanced Materials：基于印刷和圖案化沉積MXene的器件應用

【引言】

作為二維材料家族中蓬勃發展的新成員，過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物（MXenes）表現出色的電化學，電學，光學和機械性能，在能源存儲、電子、光電子、生物醫學、傳感器和催化等諸多領域具有重要應用前景。與其他二維材料相比，MXenes具有的一些獨特的性質，如高金屬導電性，出色的分散能力，負表面電荷和親水性，使其尤其適合用作印刷電子墨水。因此近年來印刷和圖案化沉積方法逐漸受到MXene領域研究者的廣泛關注，這些方法不僅簡單、經濟高效、靈活且環保，更可實現復雜的3D結構構筑結構，可以適用于多種應用場景。 通過印刷和圖案化沉積，可以極大地提高MXene的性能和應用范圍， 因此，這些方法不僅是器件制備新工具，更有利于拓展MXene的新應用及其產業化。

【成果簡介】

在這篇綜述中，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）Husam N. Alshareef教授課題組全面地總結了用于MXene的器件制作的印刷和圖案化沉積方法。作者首先總結了MXene墨水的制備，墨水物理參數的調控和墨水穩定性的優化。之后介紹幾種印刷和圖案化沉積的制備技術，包括噴墨印刷，絲網印刷，轉印，3D打印，圖案化噴涂、真空抽濾等方法的原理及優缺點。接下來介紹了印刷/圖案化沉積MXene在能源存儲，電子和光電子，傳感與驅動器等領域的應用。最后，作者提出對該領域的機遇與挑戰的展望。該成果以“MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications”為題發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201908486）。論文共同第一作者為KAUST的張一洲博士，荷蘭Twente大學的王洋和劍橋大學的江秋博士。

【圖文導讀】

圖1. 制備印刷/圖案化沉積MXene器件的關鍵要素

圖2. MXene的合成方法

圖3. MXene墨水的流體性質

圖4. 印刷/圖案化沉積MXene薄膜的技術

圖5. 噴墨印刷制備MXene超級電容器

圖6. 絲網印刷制備Mxene超級電容器

圖7.轉印法制備MXene超級電容器

圖8. 3D打印制備MXene超級電容器

圖9. 圖案化沉積技術制備MXene電容器

圖10. 基于MXene/Si復合電極的鋰離子電池

圖11. 3D打印MXene陣列用于鋰離子電池

圖12. 印刷制備MXene電子器件

圖13. 印刷制備MXene光電子器件

圖14. 印刷制備MXene傳感器件

圖15. 印刷制備MXene用于驅動器

【總結與展望】

作者總結了印刷/圖案化沉積MXene在能源存儲，電子，光電子，傳感和驅動器等方面的最新進展。 還討論了相關的印刷/圖案化沉積技術以及與其過程有關的特殊問題。該領域方興未艾，僅有幾種印刷和圖案化沉積方法被用于沉積/圖案化MXene。盡管某些已報道的器件表現出了出色的性能，但大多數工作都局限于實驗室規模的研究活動，必須針對實際應用進行擴展。例如，尚沒有關于使用卷對卷方法打印MXene的報告，這對于工業化至關重要。打印的強大功能，尤其是3D打印在構造新型材料組件/器件結構/多功能方面的能力仍有待探索；由于不同的特征尺寸和對墨水的要求，不同印刷和圖案化沉積技術的結合可以提供更快的生產速度和更復雜的印刷結構，從而可以集成不同的設備（例如，能源存儲和電子設備）。最終，迫切需要對油墨和印刷/圖案化沉積工藝的優化進行詳細研究。展望未來，印刷的高分辨率特點將進一步改善器件的性能，降低制造成本，更易于集成以及各種基于MXene的設備的小型化。

文獻鏈接

MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications. Adv. Mater. 2020, 1908486. DOI: 10.1002/adma.201908486.