3D打印定制的MXene体系结构

（Nanowerk Spotlight）MXenes是一类有前途的2D材料，具有独特的固有物理和化学特性，与石墨烯相比具有出色的导电性，亲水性和高密度。
配制可3D打印的MXene墨水并将其集成到定制的3D设备体系结构中将提供高度的体系结构控制，可伸缩性和成本效益。但是，这将要求具有单层或少层MXene的油墨必须达到3D打印所需的流变性质。
由MXene组成的3D打印体系结构对于诸如可再充电锂离子电池和钠离子电池，锂硫电池和超级电容器之类的能量存储应用特别有吸引力。它们还可以用于其他应用，例如能量转换，光催化燃料生产或电磁屏蔽。
曼彻斯特大学的研究人员首次展示了打印三维独立MXene对象的可能性。他们开发了仅由几层大的MXene薄片和水作为溶剂组成的3D打印油墨，而无需使用添加剂来控制油墨的流变性。
该团队在高级材料中发表了他们的发现（“无电流收集器的超级电容器的独立MXene体系结构的3D打印”）。
可以在三个维度上打印定制的MXene体系结构的能力，为实现许多不同的能源，催化和运输应用所需的高性能多尺度和多维设备提供了新的机会。

Suelen Barg博士说： “我们用研究最多的MXene材料2D Ti 3 C 2 T x配制了水性油墨，具有理想的粘弹性，可以对不同尺寸和形状的独立式，高比表面积的建筑进行基于挤出的3D打印。”材料部结构材料讲师告诉Nanowerk。“我们开发的油墨可将2D材料的性能很好地转换为3D，从而使体系结构的比表面积与其他方法相比大大提高。”

冷冻干燥后进行3D打印的多尺度体系结构。a，b）独立的Ti 3 C 2 T x微晶格（a）和空心矩形棱镜（b）分别通过330和250 μm喷嘴打印的SEM和光学照片（插图）。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）
在对MXene的3D可打印性的首次研究中，该团队证明了通过配制由大尺寸（平均横向尺寸为8 μm）和几层薄（厚度为1-3 nm）的MXene薄片和水组成的油墨，其流变特性可以调整以允许它们通过微米尺寸的喷嘴挤出。此外，挤出的长丝可以保持其形状超过20个印刷层。
打印后，团队将湿的3D结构冷冻干燥，以保护结构的内部完整性和外部形状，并且收缩率低。结果是形状明确的独立式MXene体系结构，无需任何进一步的热处理或化学处理。
“除了微晶格和空心矩形棱镜等各种3D架构之外，我们还使用Ti 3 C 2 T x作为电极材料和集电器，进一步将油墨应用到具有固态电解质的交叉指型对称超级电容器的直接印刷上。” “这消除了在3D打印电极设计中采用贵金属或其他金属材料作为集电器的需求。”
具有大约8.5 mg cm -2的活性材料负载的电极表现出2.1 F cm -2的面电容，高功率和能量密度，并且在10,000个循环中的电容保持率超过90％。

3D打印的MXene体系结构的插图，每层25个打印层。左：3D打印的微晶格。右：矩形空心棱镜。通过330 μm和250 μm喷嘴分别打印。比例尺：3毫米。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）
“这些结果是文献中最高的，并且证实了我们的合成和加工路线可以使2D材料到组装的3D设备的性能得到很好的转化，” Wangji Yang（目前是Barg集团的博士研究生，第一作者）指出。
下一步，该小组将优化其MXene油墨配方和增材制造协议，以非对称配置制造定制的储能设备，并采用多材料印刷和替代电解质来克服电压窗口限制并进一步提高储能设备中的能量密度。
他们还在其他可从MXene可调3D体系结构中受益的应用中探索其3D可打印墨水，例如电磁屏蔽和催化。
Barg总结道：“ MXenes的3D可打印性鼓励我们探索结合其他功能材料的油墨的发展。” “特别的挑战和潜在的研究方向包括控制水性油墨内部的MXene氧化以及更好地控制和理解水插层在MXene油墨的形成和特性中的作用及其与可印刷性的关系。”
信息来源：nanowerk