二维材料基水凝胶已广泛应用于各种电子产品的挤出型3D打印油墨。但是，水凝胶油墨的粘度不够高，无法维持自支撑结构而不发生建筑变形。使用低粘度水凝胶油墨也很难调整印刷设备的微观结构。通过模拟细胞膜上的磷脂双层，将两亲型表面活性剂非乙二醇单十二烷基醚(C12E9)加入到MXene水凝胶中。C12E9的加入提供了MXene薄片的两亲性，并产生了MXene薄片的3D互联网络。3D互联网络提供高粘度，均匀的鳞片分布，增强油墨的可打印性。这种油墨有利于MXene薄片在挤压过程中的对齐，以及对齐的微孔和亚微孔结构的形成，从而提高了打印的微超级电容器的电化学性能。本研究为微电子学的可调谐微结构的制备提供了一个范例。
图1 MXene/C12E9油墨制备及3D打印微超级电容器概述。
图2. (a) MXene/C12E9油墨振荡应变函数的存储(G’)和损耗(G″)模量。(b)油墨粘度随时间的变化。(c)拟合Herschel - Bulkley流体模型的MXene/C12E9油墨剪切应力与剪切速率的关系。(d和e) 3D打印的多层独立建筑的数字照片插图。(f)具有自支撑微米级层的3D MXene支架的SEM图像。 (h)喷嘴尖端墨水的剪切速率分布及其半径值。3D模型中墨(i)在喷嘴尖端内部和(j)在喷嘴尖端出口部分剪切应力分布的模拟结果。
图3 (a)由宽度为30 μm的MXene/C12E9油墨制成的挤压MXene丝的SEM图像。(b)带有连接电线和电解液的打印MSC的数码照片。(c)俯视图断层扫描图像。(d、e)不同放大倍数的SEM图像。(f)使用MXene/C12E9油墨打印MXene电极的切割截面表面的SEM图像。
图4. (a) SEM图像，(b) 2D WAXS散射模式，和(c)在3D打印MXene/C12E9墨水产生的定向MXene薄片的区域内沿ϕ方向±90°的(002)峰的标准化2D-WAXS方位强度分布。(d) SEM图像，(e) 2D WAXS散射模式，和(f) 2D-WAXS方位强度分布沿ϕ方向±90°随机排列的MXene薄片由3D打印MXene水凝胶产生的区域。(g, h, i)挤出过程中MXene薄片在油墨内部的排列变化示意图。
图5。(a) 3D打印MXene MSCs在5和10 mV s−1的循环伏安曲线。(b)不同扫描速率下MSCs的面积电容。(c)间充质干细胞的面电容与面电流密度。(d) 20 mV s
−1扫描速率下5个周期后的MSCs电化学阻抗谱数据。(e)多层MXene MSCs表现出与厚度无关的电容。(f和g) MXene电极内离子转移路径的示意图，(f)排列的薄片和(g)随机排列的薄片。(h)质量载荷为10.1 mg cm
-2的打印MSC
-1的照片。(i) MSCs在5 mV s
−1扫描速率下在不同弯曲角度下的CV曲线。
相关科研成果由华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室Yu Lin Zhong和Xinwen Peng等人于2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05445)上。原文：Cytomembrane-Inspired MXene Ink with Amphiphilic Surfactant for 3D Printed Microsupercapacitors。
转自《石墨烯研究》公众号
