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曼彻斯特大学将2D材料MXENE墨水应用于超级电容器3D打印

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-08-09 09:12

  英国曼彻斯特大学的研究人员首次展示了使用2D材料MXene 3D打印独立物体的可能性。作为关于MXene 3D可打印性的第一项研究,该团队开发了一种用于挤出材料的水性油墨。通过实验显示3D打印的MXene电极具有高电容和能量密度。电极可用于能量存储装置,例如超级电容器。

  2D材料的3D结构

  2D材料也称为单层材料。当晶体减薄至一个原子厚度时,会出现独特的物理和化学特性。世界上第一个2D材料是在曼彻斯特大学发现的石墨烯。石墨烯虽然柔韧、透明,比人类头发薄了一百万倍,但也比铜更具导电性,比钢更强。

  自2004年分离以来,石墨烯为探索其他2D材料打开了大门。 2011年,MXenes开发出一种由早期过渡金属(如钛)和碳原子组成的“粘土状”二维材料。与石墨烯相比,MXenes具有优异的导电性,亲水性和高密度。

  为了利用这些理想的特性,科学家需要有效地将2D材料集成到3D结构和设备中。然而,使用传统技术难以实现复杂的3D架构。

  3D打印解决了这个问题,同时提供了高度的架构控制,可扩展性和成本效益。已经开发了3D打印石墨烯的尝试并将其应用于超级电容器和可充电电池的开发。采取类似的方法,该团队的剩余挑战是制作具有单层至少层MXene的油墨,具有3D打印所需的流变性质。

  使用MXene进行3D打印

  在曼彻斯特大学的研究中,将几个原子厚的大的MXene薄片(平均横向尺寸为8μm,厚度为1-3nm)溶解在水中以配制3D打印油墨。亲水性使得MXenes非常容易地分散在水性悬浮液中,是形成水性油墨的理想选择。采用基于挤出的3D打印技术,研究人员选择研究最多的MXene材料2D Ti3C2Tx作为其理想的粘弹性。

  “我们开发的油墨可以很好地将2D材料的特性转化为3D,从而使建筑物的比表面积显着提高,与其他方法相比,”曼彻斯特大学结构材料讲师Suelen Barg博士说。

  在使用微米尺寸喷嘴进行3D打印之后,将湿3D结构冷冻干燥。冷冻干燥保护结构的内部完整性和外部形状,具有低收缩率。该技术能够制造超过20层高的独立式MXene架构,具有明确的形状和高比表面积。在没有增材或任何进一步的热处理或化学处理的情况下,在实验中直接3D打印微晶格和空心矩形棱镜。

  由于MXene的优异导电性,其制造诸如超级电容器的能量存储装置的潜力具有特别的研究兴趣。超级电容器可以产生大量功率,同时比传统设备使用更少的能量。在该实验中,用MXene 3D打印具有固体电解质的交叉对称超级电容器。电极和集电器都是3D打印的,因此不需要使用贵金属作为电极设计中的集电器。

  3D打印电极的活性材料负载量约为8.5 mg cm-2,表面高电容为2.1 F cm ^ -2,1.7 mA cm ^ -2,重量电容为242.5 Fg-1,0.2A g -1,电容保持在90%以上,持续10000次循环。它们还在4.3 mA cm-2下实现0.0244 mWh cm -2的高能量密度和0.64 mWcm -2的功率密度。

  “这些结果是文献中最高的,并证实我们的合成和加工路线可以很好地将二维材料的特性转换为三维装配,”该论文的第一作者杨文基指出。

  MXene设备的应用

  这些MXene器件的潜在用途是用于汽车行业,例如电动汽车以及移动电话和其他电子产品。特别是,3D打印的MXene架构对于诸如可充电锂离子和钠离子电池,锂硫电池和超级电容器的能量存储应用特别有吸引力。它们还可以用于其他应用,例如能量转换,光催化燃料生产或电磁屏蔽。

  “独特的流变特性与该方法的可持续性相结合,为探索提供了许多机会,”研究团队主管Suelen Barg博士说。该集团目前的研究方向是优化其MXene油墨配方和增材制造协议,以制造非对称配置的定制储能设备。为了克服电压窗口限制并进一步提高能量密度,该团队还致力于整合多材料打印和替代电解质。

  本文中讨论的无电流集电极超级电容器的独立式MXene架构的3D打印在线发布在Advanced Materials中。它由Wenji Yang,Jie Yang,Jae Jong Byun,Francis P. Moissinac,Jiaqi Xu,Sarah J. Haigh,Marco Domingos,Mark A. Bissett,Robert A. W. Dryfe,Suelen Barg共同撰写。