二维材料MXene油墨可打印微型超级电容,EditSprings,艾德思



导读

据美国德雷塞尔大学官网近日报道,该校与爱尔兰圣三一学院研究人员合作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.这种油墨可以任何尺寸和形状打印柔性能量存储元件,例如超级电容.

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)在选择sci论文翻译润色服务时候，一定要考察专业资质和编辑水平，editsprings对此分享了下面的相关经验。

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.

相关文章发表在<自然通信(Nature Communications)>期刊上.文章表明,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式,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:

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