多孔氮掺MXene墨水助力打印化储能体系的构建

MXenes是一种新兴的二维材料，拥有较高的导电性、亲水性和比电容，在光电、生物及能源等领域具有广阔的应用前景。它们独特的结构和表面官能团，使其具有许多优异性能，但是与其他二维材料类似，其堆叠、团聚问题极大的制约了MXenes性能的发挥。通过分子间静电吸附作用力将带负电的MXene片层包裹在三聚氰胺甲醛树脂（MF）小球表面，最后通过煅烧得到氮掺杂多孔MXene (MXene-N)，不仅可以降低MXene片层的堆叠，而且氮掺多孔的结构设计也有利于提升材料的电化学性能。同时借助直接打印技术（例如：丝网印刷，挤出式打印等）在构筑柔性可穿戴器件、个性化订制器件等方面的优点，并调控MXene-N基墨水的粘度分别适用于2D和3D打印技术，制备了具有高容量打印化的电化学储能器件。

【成果简介】

近日，苏州大学能源学院、能源与材料创新研究院孙靖宇教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）邵元龙博士（共同通讯作者）等采用静电吸附作用力将带负电的MXene与带正电的MF结合，其中MF作为模板并提供氮源，最终得到了多孔的MXene-N材料。论文的共同第一作者为课题组的博士研究生余良浩和硕士研究生樊赵地。将活性材料分别于LA132、GO调配成不同粘度的墨水分别适用于2D和3D打印，同时研究了不同墨水组分的比例对其流变性能的影响，并构筑成不同的储能器件。分别制备相对而言低/高粘度的MXene-N墨水，通过丝网印刷和挤出式打印，得到的储能器件的面积容量分别为70.1 mF cm⁻²和8.2 F cm⁻²。这种通过对材料进行设计，并调整墨水浓度适合不同打印方式的电极器件能够为下一代定制化储能应用提供基础。相关成果以“Versatile N-doped MXene Ink for Printed Electrochemical Energy Storage Application”为题发表在Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图 1：MXene-N的合成过程及其墨水与不同打印技术相结合示意图

左为多孔MXene-N的制备过程示意图；右为通过调节不同粘度的MXene-N的墨水分别用于不同的打印技术示意图。

图 2：所制备的多孔MXene-N的结构表征

（a, b）MXene-N的SEM图像；

（c, d）MXene-N的TEM图像；

（e）MXene-N 片层表征层间距的HRTEM图像；

（f）MXene-N的HAADF图像以及对应区域的元素分布；

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

（h, i）MXene-N的XPS N 1s和Ti 2p图谱。

图 3：丝网印刷构筑2D储能器件

（a）丝网印刷构筑储能器件的工艺流程图；

（b）制备MXene-N电极的SEM截面图以及Ti、C、N的元素分布；

（c-e）MXene-N墨水的流变性能测试；

（f, g）在不同基底上打印MXene-N叉指型电极及其对应的不同弯折状态。

图 4：丝网印刷2D储能器件的电化学性能

（a）准固态微型超级电容器的示意图；

（b）MXene-N构筑的储能器件在不同扫速下的CV曲线；

（c）对比MXene-N和纯MXene构筑的储能器件在不同扫速下的面积比电容；

（d）MXene-N构筑的储能器件循环容量保持率，插图为不同循环次数GCD曲线；

（e, f）在PI基底上，打印的MXene-N器件的不同弯曲状态及其对应的CV曲线；

（g, h）分别测试了单个、串联、并联储能器件的GCD和CV曲线。

（i）对比其它基于2D材料通过打印构筑的储能器件的面积容量。

图 5：3D打印构筑MXene-N基超级电容器及其电化学性能

（a, b）制备3D打印的墨水及其打印出的不同形状；

（c）AC/M-N和AC为主体的墨水的流变性能，插图为墨水的的稳定性测试；

（d）通过控制针头的内径来打印不同线宽的电极宽度统计；

（e, f）打印不同层数电极的SEM图像及其对应区域的元素分布；

（g）通过打印不同的电极层数来控制储能器件的面积容量，插图为三电极测试实物图；

（h, i）分别对比通过3D和2D打印构筑储能器件的面积容量以及面积能量密度。

【小结】

本文提供一种可以调节不同粘度的墨水，并分别适用于2D和3D的打印方式。通过设计氮掺多孔MXene材料，对于电极材料而言不仅改善了二维材料片层堆叠的问题，而且多孔和氮掺特征也有助于提高其电化学性能。制备低粘度的MXene-N墨水，通过2D丝网印刷得到柔性微超电，其面积容量为70.1 mF cm⁻²。进一步通过氧化石墨烯来调节浆料粘度并适用于3D打印，最高面积和体积能量密度为0.42 mWh cm⁻²、0.83 mWh cm⁻³。这项工作为打印多维电极结构并构筑高能量密度电化学储能系统提供了合理的方案。

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

消息源：材料牛