二維材料水凝膠最近因其在各種應用中的潛力而引起了極大的興趣。然而，對新興二維MXene水凝膠的研究仍處于起步階段。在此，展示了一種通用4D打印技術，用于制造具有可定制幾何形狀的MXene水凝膠，適用于Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx等MXene系列。獲得的MXene水凝膠具有3D多孔結構、大比表面積、高導電性和令人滿意的機械性能。因此，超高電容（3.32 F cm
-2 (10 mVs
-1)和233 F g
-1 (10 Vs
-1))和質量負載/厚度無關的速率能力得以實現。進一步的4D打印Ti3C2Tx水凝膠微型超級電容器展示了出色的低溫耐受性（低至–20℃），并提供高達93 μWh cm
-2和7 mW cm
-2的高能量和功率密度，分別超越了大多數最先進的設備。這項工作為MXene水凝膠制造帶來了新的見解，并擴大了它們的潛在應用范圍。
Figure 1. 由MXenes、PEDOT:PSS和添加劑（DMSO、H2SO4和L-抗壞血酸鈉）組成的復合墨水首先被3D打印成設計的圖案，然后進行自組裝過程，MXene溶膠轉化為MXene水凝膠.采用Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx三種MXene來證明該技術的普適性和可行性。
Figure 2. a通過自組裝制備的具有不同MXene含量的Ti3C2Tx水凝膠的照片。b粘度作為Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的剪切速率的函數。c儲能模量(G')和損耗模量(G'')作為Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C剪切應力的函數3Tx墨水。d Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的G'與G"比率的頻率依賴性。e 4D打印MXene水凝膠結構的照片（從左到右）：載玻片上的Ti3C2Tx水凝膠微晶格，載玻片上的Ti3C2Tx水凝膠矩形空心棱柱，Nb2CTx布上的水凝膠中國結，PET薄膜上的Nb2CTx水凝膠“CRANN”標志，PET薄膜上的柔性Mo2Ti2C3Tx水凝膠MSC單元。e中的所有比例尺對應于1厘米。f Nb2CTx水凝膠的SEM和能量色散X射線光譜(EDX)映射圖像。g Ti3C2Tx水凝膠的SEM和EDX映射圖像。h Mo2Ti2C3Tx的SEM和EDX映射圖像水凝膠。f–h中SEM圖像中的所有比例尺均為5μm，f–h中EDX映射圖像中的所有比例尺均為20 μm。i尺寸為10×2×2mm的Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx水凝膠的I−V曲線。j 純PEDOT:PSS薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝膠的拉曼光譜。高分辨率k Ti2p和l過濾后的Ti3C2Tx薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝膠的C 1s XPS光譜。結合能全部校準到284.8eV處的C 1s峰。
Figure 3. a Ti3C2Tx水凝膠(0.5 mg cm
-2)在掃描速率為10、20、50、100、200、500、1000、2000、3000、5000和10,000 mV s
-1時的CV曲線。b在100 mV s
-1的掃描速率下具有不同質量負載的Ti3C2Tx水凝膠的CV曲線。c確定具有不同質量負載的Ti3C2Tx水凝膠的斜率b值。d Ti3C2Tx倍率性能水凝膠的掃描速率為10至10,000 mV s
-1。繪制多孔Ti3C2Tx(4.3 mg cm
-2)和液晶Ti3C2Tx(6.16 mg cm
-2)用于比較。e在1 V s
-1下具有不同質量負載的Ti3C2Tx水凝膠的電容保留。列出了許多高速電極用于比較，包括過濾多孔Ti3C2Tx,重組Ti3C2Tx,Ti3C2Tx-NbN,石墨烯帶,過濾Ti3C2Tx,液晶Ti3C2Tx,1T-MoS2,氧化Ti3C2Tx，過濾Ti3C2Tx水凝膠。f Ti3C2Tx水凝膠在10至10,000 mV s
-1掃描速率下具有不同質量負載的面電容。g Ti3C2Tx水凝膠與基準電極在1和2 Vs
-1掃描速率下的面電容比較。這些電極是多孔Ti3C2Tx、液晶Ti3C2Tx、1T−MoS2、過濾Ti3C2Tx水凝膠，過濾多孔Ti3C2Tx。h具有不同質量負載的Ti3C2Tx水凝膠的EIS圖，在0.2V下獲取。i通過在100 mV s
-1循環進行的Ti3C2Tx水凝膠的長期穩定性。插圖描繪了Ti3C2Tx水凝膠(1.0 mg cm
-2)在100、200、300、500和1000A g
-1的超高電流密度下的恒電流充放電(GCD)曲線。
Figure 4. a 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在掃描速率為2、5、10、20、50和100 mV s
-1時的CV曲線。b 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在電流密度為1、2、3、5和10 mA cm
-2時的GCD曲線。c 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC與其他打印的MSC的面電容比較。d 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC和其他高性能MSC的Ragone圖。電子4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在25°C、0和−20°C下掃描速率為10 mV s
-1的CV曲線。插圖是-20°C下的PVA-EG-H2SO4凝膠電解質，顯示出極佳的透明度和柔韌性。f 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在冷卻/加熱循環期間的電容保持率。g 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC(10 mV s
-1)與低溫下其他器件的面電容比較。h 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在30 mA cm
-1的電流密度和-20°C下的循環性能，插圖顯示了該MSC在-20℃下10,000次循環前后的EIS數據。i單個4D打印Ti3C2Tx水凝膠MSC、四個串聯MSC(4S)、四個并聯MSC(4P)以及兩個串聯和并聯(2S2P)的CV曲線，掃描速率5 mV s
-1。插圖顯示了為三個LED指示燈供電的4S串聯設備的照片，展示了MSC在實際應用中的可行性。
相關研究工作由德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授及其合作者于2022年在線發表在《Nature Communications》期刊上，原文：4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage。
轉自《石墨烯研究》公眾號
