二維材料MXene油墨:可列印微型超級電容!

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

據美國德雷塞爾大學官網近日報導，該校與愛爾蘭聖三一學院研究人員合作利用高度導電的二維材料MXene，創造出噴墨印表機所用的油墨。這種油墨可以任何尺寸和形狀列印柔性能量存儲元件，例如超級電容。

背景

導電油墨已有近十年的歷史。未來十年內，它有望快速增長為數億美元的市場。

石墨烯油墨（圖片來源：James Macleod/劍橋大學工程系）

導電油墨已用於製造公路收費應答器所用的射頻識別標籤、可攜式電子產品所用的電路板，以及為汽車車窗安裝嵌入式無線電天線以及輔助除霜。

由二維納米材料油墨印刷而成的電晶體（圖片來源：都柏林大學聖三一學院）

採用石墨烯氧化物導電油墨在紡織品上印刷的柔性超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

通過導電油墨噴墨列印而成的柔性電子器件(圖片來源：密西根州立大學 Chuan Wang)

但是，為了在技術上有更廣泛的應用，導電油墨需要變得更加導電，並且更容易應用於各種表面。

創新

近日，美國德雷塞爾大學（Drexel University）和愛爾蘭聖三一學院（Trinity College）的科研人員利用高度導電的二維材料MXene，創造出噴墨印表機所用的油墨。

（圖片來源：德雷塞爾大學）

德雷塞爾大學工程學院材料科學與工程系教授尤裡·高果奇（Yury Gogotsi）表示，在德雷塞爾大學納米材料研究所創造的這種油墨，從上述兩個方面來說，都是重大進展。

相關論文發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。論文表明，這種油墨可用於以任何尺寸和形狀列印柔性能量存儲元件，例如超級電容。

高果奇表示：「目前為止，在精細解析度印刷和高電荷存儲器件方面，導電油墨只取得了有限的成功。但是，我們的成果表明，通過高級噴墨印表機，所有由 MXene 印刷而成的微型超級電容，與現有的其他導電油墨製成的能量存儲器件相比，性能高一個量級。」

技術

研究人員穩步地搞清楚，當通過更加導電的新材料，例如納米顆粒銀、石墨烯和鎵來製造油墨時，挑戰在於將這些材料無縫地集成到製造工藝中。據德雷塞爾大學材料科學與工程系助理教授 Babak Anasori 稱，這些油墨中的大多數無法用於一步處理工藝。

Anasori 表示：「對於大多數其他的納米油墨來說，為了把顆粒聚集在一起進行高質量印刷，就需要加入添加劑。因此，在印刷之後，就需要一個額外的步驟（通常是熱或者化學處理）來去除那個添加劑。對於 MXene 印刷來說，我們只使用水或有機溶液中的 MXene 來製造油墨。這意味著，無需任何額外的步驟，它就可以變幹。 」

MXene 是一種碳基、二維層狀材料，2011年誕生於德雷塞爾大學。它的獨特能力在於，能與液體（例如水和其他有機溶液）混合，同時保持導電性。

MXene 有機油墨的特性（圖片來源：參考資料【1】）

因此，德雷塞爾大學的研究人員通過各種形式製造並測試了它，從「導電粘土」到「電磁屏蔽所用的塗層」再到「幾乎不可見的無線天線」。

調整濃度來創造可用於商用印表機的油墨，只是時間與迭代的問題。油墨中溶劑與 MXene 的濃度可經過調整來適配不同類型的印表機。

Anasori 表示：「如果我們想要大規模利用任何技術，並使之可供公眾使用，這項技術必須變得非常簡單而且一步完成。噴墨印表機幾乎每家都有，所以我們知道如果我們可以製造出合適的油墨，那麼任何人都可以製造未來的電子器件。」

MXene 有機油墨的噴墨列印（圖片來源：參考資料【1】）

作為這項研究的一部分，德雷塞爾大學的團隊與聖三一學院的研究人員（擅長印刷）合作，用 MXene 油墨測試一系列列印出來的產品，包括一個簡單的電路、一個微型超級電容和一些文字，並採用了從紙張到塑料再到玻璃的各種基底。這樣做時，他們發現，他們可以印刷厚度一致的線，並使油墨傳輸的電流能根據厚度而變化。在製造電子元器件的過程中，這兩點都很重要。列印出來的產品保持了卓越的導電性能，在所有碳基導電油墨中是最高的，這些油墨包括碳納米管和石墨烯。

價值

所有這些意味著，一種可製造微型元器件的多功能產品。在我們的電子器件中，它表現出重要但又通常被忽視的功能，例如當電池沒電時提供電力、防止破壞性電湧、加速充電過程。提供一種表現得更好的材料，以及一種通過它構造東西的新方法，將不僅可以改善我們現有的器件，也將創造出全新的技術。

Anasori 表示：「與傳統製造工藝相比，直接的油墨印刷技術，例如噴墨印刷和擠出印刷，帶來了數字和加成的圖案化、專用化、材料浪費的減少、可擴展性和快速生產。現在，我們已經製造出了可通過這項技術來應用的 MXene 油墨，我們正在尋找新的機會來使用它。」

直接的 MXene 油墨印刷的示意圖（圖片來源：參考資料【1】）

關鍵字

印刷電子、導電油墨、超級電容

參考資料

【1】Chuanfang Zhang, Lorcan McKeon, Matthias P. Kremer, Sang-Hoon Park, Oskar Ronan, Andrés SeralAscaso, 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

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