二维材料水凝胶最近因其在各种应用中的潜力而引起了极大的兴趣。然而，对新兴二维MXene水凝胶的研究仍处于起步阶段。在此，展示了一种通用4D打印技术，用于制造具有可定制几何形状的MXene水凝胶，适用于Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx等MXene系列。获得的MXene水凝胶具有3D多孔结构、大比表面积、高导电性和令人满意的机械性能。因此，超高电容（3.32 F cm
-2 (10 mVs
-1)和233 F g
-1 (10 Vs
-1))和质量负载/厚度无关的速率能力得以实现。进一步的4D打印Ti3C2Tx水凝胶微型超级电容器展示了出色的低温耐受性（低至–20℃），并提供高达93 μWh cm
-2和7 mW cm
-2的高能量和功率密度，分别超越了大多数最先进的设备。这项工作为MXene水凝胶制造带来了新的见解，并扩大了它们的潜在应用范围。
Figure 1. 由MXenes、PEDOT:PSS和添加剂（DMSO、H2SO4和L-抗坏血酸钠）组成的复合墨水首先被3D打印成设计的图案，然后进行自组装过程，MXene溶胶转化为MXene水凝胶.采用Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx三种MXene来证明该技术的普适性和可行性。
Figure 2. a通过自组装制备的具有不同MXene含量的Ti3C2Tx水凝胶的照片。b粘度作为Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的剪切速率的函数。c储能模量(G')和损耗模量(G'')作为Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C剪切应力的函数3Tx墨水。d Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的G'与G"比率的频率依赖性。e 4D打印MXene水凝胶结构的照片（从左到右）：载玻片上的Ti3C2Tx水凝胶微晶格，载玻片上的Ti3C2Tx水凝胶矩形空心棱柱，Nb2CTx布上的水凝胶中国结，PET薄膜上的Nb2CTx水凝胶“CRANN”标志，PET薄膜上的柔性Mo2Ti2C3Tx水凝胶MSC单元。e中的所有比例尺对应于1厘米。f Nb2CTx水凝胶的SEM和能量色散X射线光谱(EDX)映射图像。g Ti3C2Tx水凝胶的SEM和EDX映射图像。h Mo2Ti2C3Tx的SEM和EDX映射图像水凝胶。f–h中SEM图像中的所有比例尺均为5μm，f–h中EDX映射图像中的所有比例尺均为20 μm。i尺寸为10×2×2mm的Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx水凝胶的I−V曲线。j 纯PEDOT:PSS薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝胶的拉曼光谱。高分辨率k Ti2p和l过滤后的Ti3C2Tx薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝胶的C 1s XPS光谱。结合能全部校准到284.8eV处的C 1s峰。
Figure 3. a Ti3C2Tx水凝胶(0.5 mg cm
-2)在扫描速率为10、20、50、100、200、500、1000、2000、3000、5000和10,000 mV s
-1时的CV曲线。b在100 mV s
-1的扫描速率下具有不同质量负载的Ti3C2Tx水凝胶的CV曲线。c确定具有不同质量负载的Ti3C2Tx水凝胶的斜率b值。d Ti3C2Tx倍率性能水凝胶的扫描速率为10至10,000 mV s
-1。绘制多孔Ti3C2Tx(4.3 mg cm
-2)和液晶Ti3C2Tx(6.16 mg cm
-2)用于比较。e在1 V s
-1下具有不同质量负载的Ti3C2Tx水凝胶的电容保留。列出了许多高速电极用于比较，包括过滤多孔Ti3C2Tx,重组Ti3C2Tx,Ti3C2Tx-NbN,石墨烯带,过滤Ti3C2Tx,液晶Ti3C2Tx,1T-MoS2,氧化Ti3C2Tx，过滤Ti3C2Tx水凝胶。f Ti3C2Tx水凝胶在10至10,000 mV s
-1扫描速率下具有不同质量负载的面电容。g Ti3C2Tx水凝胶与基准电极在1和2 Vs
-1扫描速率下的面电容比较。这些电极是多孔Ti3C2Tx、液晶Ti3C2Tx、1T−MoS2、过滤Ti3C2Tx水凝胶，过滤多孔Ti3C2Tx。h具有不同质量负载的Ti3C2Tx水凝胶的EIS图，在0.2V下获取。i通过在100 mV s
-1循环进行的Ti3C2Tx水凝胶的长期稳定性。插图描绘了Ti3C2Tx水凝胶(1.0 mg cm
-2)在100、200、300、500和1000A g
-1的超高电流密度下的恒电流充放电(GCD)曲线。
Figure 4. a 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC在扫描速率为2、5、10、20、50和100 mV s
-1时的CV曲线。b 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC在电流密度为1、2、3、5和10 mA cm
-2时的GCD曲线。c 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC与其他打印的MSC的面电容比较。d 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC和其他高性能MSC的Ragone图。电子4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC在25°C、0和−20°C下扫描速率为10 mV s
-1的CV曲线。插图是-20°C下的PVA-EG-H2SO4凝胶电解质，显示出极佳的透明度和柔韧性。f 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC在冷却/加热循环期间的电容保持率。g 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC(10 mV s
-1)与低温下其他器件的面电容比较。h 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶MSC在30 mA cm
-1的电流密度和-20°C下的循环性能，插图显示了该MSC在-20℃下10,000次循环前后的EIS数据。i单个4D打印Ti3C2Tx水凝胶MSC、四个串联MSC(4S)、四个并联MSC(4P)以及两个串联和并联(2S2P)的CV曲线，扫描速率5 mV s
-1。插图显示了为三个LED指示灯供电的4S串联设备的照片，展示了MSC在实际应用中的可行性。
相关研究工作由德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授及其合作者于2022年在线发表在《Nature Communications》期刊上，原文：4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage。
转自《石墨烯研究》公众号
