MXene之父Yury教授Nat. Commun.：用于高效贗電容儲能的MXene水凝膠的4D打印

Eric_zhou 8個月前 (01-15) 1478瀏覽

導讀

隨著可穿戴電子產品、新能源汽車的不斷發展，市場對于高性能儲能系統有了更高的需求。超級電容器（SC）是一種具有高功率密度和長循環使用壽命的新型器件，其高效的充電速度和高容量保持率使其在能量儲存領域占有一席之地。然而，SC的能量密度較低，這也是限制其發展的主要制約。為了提升其能量密度，可開發先進的電極材料實現。

導電水凝膠，特別是基于導電2D材料（例如石墨烯和MXene）的水凝膠，可用作具有高能量和功率密度的電極材料。它們不僅具有大表面積和親水性，而且還保持二維材料的高導電性，即使在厚電極中也能進行電化學反應、快速電解質離子傳輸和電子轉移。

然而，對MXene水凝膠的研究仍處于起步階段，仍然存在嚴峻的挑戰。首先，以前的研究都集中在Ti3C2Tx，沒有對其它MXene水凝膠（除了Ti3C2Tx）的報告。其次，所采用的聚合物交聯劑都是絕緣的，這降低了MXene水凝膠的導電性并削弱了其電化學性能。第三，這些MXene水凝膠的幾何形狀很大程度上取決于模具的形狀和尺寸，在很多場景下，特別是在可穿戴電子產品快速發展的背景下，不太可能滿足復雜性和精度的要求。

成果掠影

近日，MXene之父，德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授及其合作者在自然通訊（Nature Communications）期刊上發表了基于MXene的電化學儲能裝置的最新研究”4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage”，該工作開發了一種先進的4D打印技術，制備了具有高比電容（232.9 F/g），抗低溫（-20℃），高容量保持率（90.6%）和高能量密度（92.88 μWh/cm2）的MXene水凝膠電化學儲能器件。

 

核心創新點

1.該工作提出的4D打印技術與傳統3D打印產生的可溶解MXene溶膠不同，其在打印過程中引入熱刺激自組裝工藝，可實現對MXene水凝膠結構形狀的精準控制。

2.該工作使用PEDOT：PSS作為交聯劑和穩定劑，解決了MXene材料在水溶液中發生團聚的現象，并調節打印油墨的粘度，為4D打印提供可能。

3.該工作在水凝膠中加入乙二醇，通過提升乙二醇與聚乙烯醇分子鏈之間的氫鍵數量，極大地提高了水凝膠的抗凍性能，擴展了其工作環境溫度。

 

數據概覽

圖1. MXene水凝膠4D打印示意圖 ? 2022 The authors

圖2. MXene油墨和水凝膠特性? 2022 The authors

a）不同質量分數的MXene水凝膠的示意圖。

b）MXene油墨的粘度與剪切速率之間的關系。

c）MXene油墨的儲能模量和損耗模量與剪切應力之間的關系

d）MXene油墨的儲能模量和損耗模量的比值與頻率之間的關系

e）4D打印的不同形態的MXene水凝膠示意圖

f）Nb2CTx水凝膠的SEM和EDX圖像

g）Ti3C2Tx水凝膠的SEM和EDX圖像

h）Mo2Ti2C3Tx水凝膠的SEM和EDX圖像

i）三種MXene水凝膠的I-V曲線

j）純的PEDOT:PSS薄膜和4D打印的MXene水凝膠的拉曼表征結果

k-l）Ti3C2Tx薄膜和水凝膠的XPS表征結果

圖3. 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠電極的電化學性能測試? 2022 The authors

a）不同掃速的CV曲線。

b）不同載量的CV曲線

c）儲能機制探究

d）不同載量的水凝膠在不同掃速下的比電容

e）不同材料容量保持率對比

f）不同掃速不同載量的電極的面電容對比

g）不同材料面電容對比

h）阻抗分析

i）電極的循環性能測試

圖4. 4D打印的MXene水凝膠儲能器件的性能測試? 2022 The authors

a）不同掃速下的CV曲線

b）不同電流密度的GCD曲線

c）不同電化學儲能器件的面電容對比

d）不同電化學儲能器件的能量密度與功率密度對比

e）不同溫度下的CV曲線

f）不同溫度下，水凝膠的容量保持率

g）不同水凝膠電化學儲能器件的工作溫度與面電容對比

h）-20℃下該器件的容量保持率和阻抗譜

i）串聯和并聯演示器件點亮小燈泡

成果啟示

該工作開發了一種高效制造MXene水凝膠的4D打印技術，可在基板上高精度制造一系列具有復雜結構的MXene水凝膠。該MXene水凝膠具有3D多孔結構、大比表面積和高導電性等特點，從而可實現高效的贗電容儲能，包括高比電容（232.9 F/g），抗低溫（-20℃），高容量保持率（90.6%）和高能量密度（92.88 μWh/cm2）。該工作為MXene水凝膠的制造提供了新的策略，并將推動MXene材料和導電水凝膠在電化學能量存儲和轉換，傳感器和其他技術中的應用。

文獻鏈接

Nature Communications：4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage

DOI：10.1038/s41467-022-34583-0

本文由我亦不離去供稿

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