ACS Nano | MXene基微型超级电容器：油墨流变学、微电极设计与集成系统

英文原题：MXene-based Micro-Supercapacitors: Ink Rheology, Microelectrode Design and Integrated System

通讯作者：杨维清（西南交通大学）

作者：Haichao Huang, Weiqing Yang*

MXenes 通常具有高金属导电性、优异的亲水性、可调节的层间间距和高电荷存储容量，在微型超级电容器领域具有突出的优势：(ⅰ) 主链中存在的自由电子使 MXenes 具有金属导电性，从而实现快速电子传输；(ⅱ) MXenes 的二维性质提高了电化学活性，从而实现高效离子传输；(iii) 丰富的表面终端基团具有极佳的亲水性，可作为快速氧化还原反应的活性中心；(iv) 可通过插层 H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、Zn²⁺、Al³⁺或其他分子来调整 MXenes 的层间间隔，从而存储更多的电解质离子。

除优异的电化学特性外，MXenes 还具有亲水性和由表面官能团带来的高负电荷（zeta 电位约为 -38 mV），这使其可以在水性和有机溶剂中形成稳定的胶体分散体，进一步拓展了其作为印刷和涂覆电极油墨的应用。目前，MXenes 已直接应用于多种溶液处理技术，包括涂层、印刷，以构建基于 MXene材料 的高性能微型超级电容器（MXene MSCs）。同时，将MXene MSCs整合到功能性微电子器件中也是其产业化发展的关键动力。这需要 MXene MSCs与其他功能器件在制造和功能上的相互兼容。

在此，本文从油墨流变学、微电极设计和集成系统等方面总结了 MXene 微型超级电容器的最新进展。介绍了不同溶液处理过程下的油墨配方和 MXene 的流变行为，这对高质量印刷/涂布薄膜至关重要。详细讨论了 MXene 及其化合物、三维电极结构和非对称结构设计对 MXene MSCs 电化学性能的影响。此外，本文系统总结了 MXene MSCs的集成系统和智能应用，并阐明了当前开发高性能 MXene MSCs所面临的挑战和前景。

图1. MXene MSCs概述:可调节MXenes油墨、平面内MXene MSCs及其集成系统。

图2. 通过溶液加工过程制造MXene MSCs的方法，包括喷涂/旋涂、3D打印、墨水书写、图案涂覆、丝网印刷等涂层和印刷技术。

表1. MXene MSCS的电化学性能及其集成应用。

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MXene-Based Micro-Supercapacitors: Ink Rheology, Microelectrode Design and Integrated System

Haichao Huang, Weiqing Yang*

ACS Nano 2024, 18, 6, 4651–4682

Publication Date: February 2, 2024

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10246 

Copyright © 2024 American Chemical Society

通讯作者简介

杨维清教授简介：西南交通大学前沿科学研究院院长，从事能源信息材料与器件研究，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计240余篇，入选Elsevier高被引学者、Stanford-Elsevier全球全领域2% Top科学家；长期担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家；科技成果转化专利30余项，转化经费3000余万元；担任中国超级电容器产业联盟副秘书长；获得教育部创新团队、省“青年科技创新研究团队”、省杰出青年基金、省“QR计划”创新人才。所做工作被美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道。

Email：wqyang@swjtu.edu.cn

主页：

https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index/128089/list/index.htm 

（本稿件来自ACS Publications）