江南大學：二維MXene調(diào)控導電聚合物墨水用于3D打印微型超級電容器

來源：江南大學

近期，江南大學化學與材料工程學院劉天西教授團隊在二維MXene調(diào)控導電聚合物墨水用于3D打印微型超級電容器方面取得突破性進展，在Advanced Energy Materials上發(fā)表重要學術(shù)論文：“Direct-Ink-Write 3D Printing of Programmable Micro-Supercapacitors from MXene-Regulating Conducting Polymer Inks（Advanced Energy Materials, 10.1002/aenm.202203683）”，第一作者為博士后李樂和博士生孟健，通訊作者為劉天西教授和東華大學張超研究員。

微型超級電容器（Microsupercapacitor）的快速發(fā)展，有望滿足人們對高電壓、高功率密度和能量密度的微型供電器件的需求。相較于傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，墨水直寫3D打印（DIW 3D printing）為構(gòu)建結(jié)構(gòu)可定制的微型超級電容器提供了經(jīng)濟且簡便的解決方案，并有望實現(xiàn)儲能器件的電化學活性材料的高負載，進而提高器件的能量與功率密度。商品化的導電聚合物PEDOT:PSS，通常具有優(yōu)異的導電性、高電化學活性和溶液加工性能，作為超級電容器電極材料具有良好的應(yīng)用前景。然而，基于PEDOT:PSS制備高質(zhì)量可打印墨水面臨著工藝繁瑣、環(huán)境不友好等瓶頸問題。因此，發(fā)展工藝簡單、綠色環(huán)保的可打印PEDOT:PSS墨水的制備新方法，具有重要的研究和應(yīng)用前景。

圖1. 3D打印PEDOT:PSS/MXene凝膠復合材料及微型超級電容器

基于此，江南大學化學與材料工程學院劉天西教授課題組提出通過二維MXene納米片調(diào)控PEDOT:PSS在溶液中的微相結(jié)構(gòu)，制備了溶劑綠色環(huán)保、可墨水直寫3D打印的高質(zhì)量導電聚合物墨水，并打印獲得了具有良好幾何精度和形狀保真度的定制化圖案與微型超級電容器件。MXene納米片對PEDOT:PSS電子結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)高效調(diào)節(jié)，所得PEDOT:PSS/MXene復合凝膠的電子導電與離子傳導性能均得到大幅度提升。墨水直寫3D打印所制備的微型超級電容器具有高電化學活性物質(zhì)負載量，表現(xiàn)出高比容量、高倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)性能，且具有優(yōu)異的耐形變、抗低溫和可集成等優(yōu)異特性。