二維材料基水凝膠已廣泛應用于各種電子產(chǎn)品的擠出型3D打印油墨。但是，水凝膠油墨的粘度不夠高，無法維持自支撐結(jié)構(gòu)而不發(fā)生建筑變形。使用低粘度水凝膠油墨也很難調(diào)整印刷設(shè)備的微觀結(jié)構(gòu)。通過模擬細胞膜上的磷脂雙層，將兩親型表面活性劑非乙二醇單十二烷基醚(C12E9)加入到MXene水凝膠中。C12E9的加入提供了MXene薄片的兩親性，并產(chǎn)生了MXene薄片的3D互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。3D互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供高粘度，均勻的鱗片分布，增強油墨的可打印性。這種油墨有利于MXene薄片在擠壓過程中的對齊，以及對齊的微孔和亞微孔結(jié)構(gòu)的形成，從而提高了打印的微超級電容器的電化學性能。本研究為微電子學的可調(diào)諧微結(jié)構(gòu)的制備提供了一個范例。
圖1 MXene/C12E9油墨制備及3D打印微超級電容器概述。
圖2. (a) MXene/C12E9油墨振蕩應變函數(shù)的存儲(G’)和損耗(G″)模量。(b)油墨粘度隨時間的變化。(c)擬合Herschel - Bulkley流體模型的MXene/C12E9油墨剪切應力與剪切速率的關(guān)系。(d和e) 3D打印的多層獨立建筑的數(shù)字照片插圖。(f)具有自支撐微米級層的3D MXene支架的SEM圖像。 (h)噴嘴尖端墨水的剪切速率分布及其半徑值。3D模型中墨(i)在噴嘴尖端內(nèi)部和(j)在噴嘴尖端出口部分剪切應力分布的模擬結(jié)果。
圖3 (a)由寬度為30 μm的MXene/C12E9油墨制成的擠壓MXene絲的SEM圖像。(b)帶有連接電線和電解液的打印MSC的數(shù)碼照片。(c)俯視圖斷層掃描圖像。(d、e)不同放大倍數(shù)的SEM圖像。(f)使用MXene/C12E9油墨打印MXene電極的切割截面表面的SEM圖像。
圖4. (a) SEM圖像，(b) 2D WAXS散射模式，和(c)在3D打印MXene/C12E9墨水產(chǎn)生的定向MXene薄片的區(qū)域內(nèi)沿?方向±90°的(002)峰的標準化2D-WAXS方位強度分布。(d) SEM圖像，(e) 2D WAXS散射模式，和(f) 2D-WAXS方位強度分布沿?方向±90°隨機排列的MXene薄片由3D打印MXene水凝膠產(chǎn)生的區(qū)域。(g, h, i)擠出過程中MXene薄片在油墨內(nèi)部的排列變化示意圖。
圖5。(a) 3D打印MXene MSCs在5和10 mV s−1的循環(huán)伏安曲線。(b)不同掃描速率下MSCs的面積電容。(c)間充質(zhì)干細胞的面電容與面電流密度。(d) 20 mV s
−1掃描速率下5個周期后的MSCs電化學阻抗譜數(shù)據(jù)。(e)多層MXene MSCs表現(xiàn)出與厚度無關(guān)的電容。(f和g) MXene電極內(nèi)離子轉(zhuǎn)移路徑的示意圖，(f)排列的薄片和(g)隨機排列的薄片。(h)質(zhì)量載荷為10.1 mg cm
-2的打印MSC
-1的照片。(i) MSCs在5 mV s
−1掃描速率下在不同彎曲角度下的CV曲線。
相關(guān)科研成果由華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室Yu Lin Zhong和Xinwen Peng等人于2022年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05445)上。原文：Cytomembrane-Inspired MXene Ink with Amphiphilic Surfactant for 3D Printed Microsupercapacitors。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
