新闻资讯

柔性微型电子和网络领域最近的发展已经达到了超越简单实现高性能的地步，通过结合可定制的形状、灵活性和与微电子的无缝集成来设计先进的微型超级电容器（MSC），喷墨打印是一种具有优异精度的非接触式打印技术，并且由于完全按需滴落（DOD）的机制，不需要模具进行图案化，并且能够无缝集成不同形状的微型设备，从而提供定制的性能。故喷墨技术广泛用于柔性电子器件的制备。

▲ 图1 用于喷墨打印MSC的N、S-MXene和有机墨水的制造示意图。

MXenes是一系列由碳化物和氮化物（以X表示）组成的2D过渡金属（M），由于其高的表面体积比和极性溶剂分散性，被视为理想的分散介质。开发具有高抗氧化能力、印刷稳定性、优异的电化学性质和低成本生产工艺的MXene基喷墨打印墨水至关重要。刘婧媛老师团队研究了无添加剂的Ti3C2Tx MXene与氮和硫（N，S-MXene）油墨共掺杂的油墨，专为喷墨打印而设计。MXene的制备和N，S掺杂工艺以及用于微型超级电容器的N，S-MXene油墨的喷墨打印如图1所示。

▲ 图2 a）原子力显微镜（AFM）图像和N，S-MXene MSC电极的相应高度分布b） N，S-MXene电极的尺寸分布c） 哈尔滨工程大学印刷徽章，插图：N，S-MXene墨水。d） 稳定墨滴的频闪图像。

为了展示N，S-MXene喷墨墨水在微型储能装置领域的实际应用，使用MicroFab Jetlab II喷墨打印系统以制备平面MSC，如图2所示，通过AFM测量N，S-MXene微电极的厚度，并计算出25层的厚度约为146nm，哈尔滨工程大学的徽章用N，S-MXene墨水打印在相纸上，展示了Jetlab II喷墨打印设备打印N，S-MXene墨水制作高精度微结构图案的能力。

▲ 图3 a）与先前报道的MSC相比，在20µa cm−2下测试的N，S-MXene MSC的体积电容；b） 不同测试的N，S-MXene MSC的面积和体积电容；c） N，S-MXene MSC与先前报道的MSC的拉贡图比较；d）扫描速率为50 mV s⁻¹时不同积分的CV曲线，插图是并联的N，S-MXene MSC和串联的MSC的数字照片；e）在50µa cm−2的电流密度下，不同积分的GCD分布；f）在各种弯曲状态下测试的CV曲线，（0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 和180°)。

如图三所示，所制备的MSC具有710 F cm⁻³的体积电容，在411 mW cm⁻³功率密度下具有8.9 mWh cm⁻³的能量密度，长期循环稳定性高达94.6%，远好于之前报道的喷墨打印制造的MSC。N，S-MXene MSC的可定制性可以通过将它们以不同形状串联和并联连接所证明（图3d的插图），在不同弯曲角度下0°至180°, N，S-MXene MSC的所有CV曲线几乎相同（图3f），表明其具有优异的结构稳定性和机械柔韧性。

通过研究可知，定制的MSC可以通过简单的参数调整自动制造，提供高分辨率的形状多样的图案，具有710 F cm⁻³的优异体积电容，喷墨打印的MSC在411 mW cm⁻³的功率密度下显示出8.9 mWh cm−3的超高能量密度，氮和硫原子的掺杂改善了微电极的抗氧化性和反应动力学，导致了长期的循环稳定性，10000次循环后电容保持率为94.6%。先进的喷墨打印为MSC提供了多种可能性，加速了用于下一代储能设备的喷墨打印墨水的开发，使喷墨打印设备可以在自供电、可穿戴、易于集成和植入式微电子器件的制备中广泛应用。

参考文献：