二维材料MXene油墨：可打印微型超级电容！

背景

导电油墨已有近十年的历史。未来十年内，它有望快速增长为数亿美元的市场。

石墨烯油墨（图片来源：James Macleod/剑桥大学工程系）

导电油墨已用于制造公路收费应答器所用的射频识别标签、便携式电子产品所用的电路板，以及为汽车车窗安装嵌入式无线电天线以及辅助除霜。

由二维纳米材料油墨印刷而成的晶体管（图片来源：都柏林大学圣三一学院）

采用石墨烯氧化物导电油墨在纺织品上印刷的柔性超级电容（图片来源：曼彻斯特大学）

通过导电油墨喷墨打印而成的柔性电子器件(图片来源：密歇根州立大学 Chuan Wang)

但是，为了在技术上有更广泛的应用，导电油墨需要变得更加导电，并且更容易应用于各种表面。

创新

近日，美国德雷塞尔大学（Drexel University）和爱尔兰圣三一学院（Trinity College）的科研人员利用高度导电的二维材料MXene，创造出喷墨打印机所用的油墨。

（图片来源：德雷塞尔大学）

德雷塞尔大学工程学院材料科学与工程系教授尤里·高果奇（Yury Gogotsi）表示，在德雷塞尔大学纳米材料研究所创造的这种油墨，从上述两个方面来说，都是重大进展。

相关论文发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。论文表明，这种油墨可用于以任何尺寸和形状打印柔性能量存储元件，例如超级电容。

高果奇表示：“目前为止，在精细分辨率印刷和高电荷存储器件方面，导电油墨只取得了有限的成功。但是，我们的成果表明，通过高级喷墨打印机，所有由 MXene 印刷而成的微型超级电容，与现有的其他导电油墨制成的能量存储器件相比，性能高一个量级。”

技术

研究人员稳步地搞清楚，当通过更加导电的新材料，例如纳米颗粒银、石墨烯和镓来制造油墨时，挑战在于将这些材料无缝地集成到制造工艺中。据德雷塞尔大学材料科学与工程系助理教授 Babak Anasori 称，这些油墨中的大多数无法用于一步处理工艺。

Anasori 表示：“对于大多数其他的纳米油墨来说，为了把颗粒聚集在一起进行高质量印刷，就需要加入添加剂。因此，在印刷之后，就需要一个额外的步骤（通常是热或者化学处理）来去除那个添加剂。对于 MXene 印刷来说，我们只使用水或有机溶液中的 MXene 来制造油墨。这意味着，无需任何额外的步骤，它就可以变干。 ”

MXene 是一种碳基、二维层状材料，2011年诞生于德雷塞尔大学。它的独特能力在于，能与液体（例如水和其他有机溶液）混合，同时保持导电性。

MXene 有机油墨的特性（图片来源：参考资料【1】）

因此，德雷塞尔大学的研究人员通过各种形式制造并测试了它，从“导电粘土”到“电磁屏蔽所用的涂层”再到“几乎不可见的无线天线”。

调整浓度来创造可用于商用打印机的油墨，只是时间与迭代的问题。油墨中溶剂与 MXene 的浓度可经过调整来适配不同类型的打印机。

Anasori 表示：“如果我们想要大规模利用任何技术，并使之可供公众使用，这项技术必须变得非常简单而且一步完成。喷墨打印机几乎每家都有，所以我们知道如果我们可以制造出合适的油墨，那么任何人都可以制造未来的电子器件。”

MXene 有机油墨的喷墨打印（图片来源：参考资料【1】）

作为这项研究的一部分，德雷塞尔大学的团队与圣三一学院的研究人员（擅长印刷）合作，用 MXene 油墨测试一系列打印出来的产品，包括一个简单的电路、一个微型超级电容和一些文字，并采用了从纸张到塑料再到玻璃的各种基底。这样做时，他们发现，他们可以印刷厚度一致的线，并使油墨传输的电流能根据厚度而变化。在制造电子元器件的过程中，这两点都很重要。打印出来的产品保持了卓越的导电性能，在所有碳基导电油墨中是最高的，这些油墨包括碳纳米管和石墨烯。

价值

所有这些意味着，一种可制造微型元器件的多功能产品。在我们的电子器件中，它表现出重要但又通常被忽视的功能，例如当电池没电时提供电力、防止破坏性电涌、加速充电过程。提供一种表现得更好的材料，以及一种通过它构造东西的新方法，将不仅可以改善我们现有的器件，也将创造出全新的技术。

Anasori 表示：“与传统制造工艺相比，直接的油墨印刷技术，例如喷墨印刷和挤出印刷，带来了数字和加成的图案化、专用化、材料浪费的减少、可扩展性和快速生产。现在，我们已经制造出了可通过这项技术来应用的 MXene 油墨，我们正在寻找新的机会来使用它。”

直接的 MXene 油墨印刷的示意图（图片来源：参考资料【1】）

关键字

印刷电子、导电油墨、超级电容

参考资料

【1】Chuanfang Zhang, Lorcan McKeon, Matthias P. Kremer, Sang-Hoon Park, Oskar Ronan, Andrés Seral‐Ascaso, Sebastian Barwich, Cormac ? Coileáin, Niall McEvoy, Hannah C. Nerl, Babak Anasori, Jonathan N. Coleman, Yury Gogotsi, Valeria Nicolosi. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-09398-1

【2】https://drexel.edu/now/archive/2019/April/MXene-inkjet-printing/