二維材料水凝膠最近因其在各種應(yīng)用中的潛力而引起了極大的興趣。然而，對(duì)新興二維MXene水凝膠的研究仍處于起步階段。在此，展示了一種通用4D打印技術(shù)，用于制造具有可定制幾何形狀的MXene水凝膠，適用于Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx等MXene系列。獲得的MXene水凝膠具有3D多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積、高導(dǎo)電性和令人滿意的機(jī)械性能。因此，超高電容（3.32 F cm
-2 (10 mVs
-1)和233 F g
-1 (10 Vs
-1))和質(zhì)量負(fù)載/厚度無(wú)關(guān)的速率能力得以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的4D打印Ti3C2Tx水凝膠微型超級(jí)電容器展示了出色的低溫耐受性（低至–20℃），并提供高達(dá)93 μWh cm
-2和7 mW cm
-2的高能量和功率密度，分別超越了大多數(shù)最先進(jìn)的設(shè)備。這項(xiàng)工作為MXene水凝膠制造帶來(lái)了新的見(jiàn)解，并擴(kuò)大了它們的潛在應(yīng)用范圍。
Figure 1. 由MXenes、PEDOT:PSS和添加劑（DMSO、H2SO4和L-抗壞血酸鈉）組成的復(fù)合墨水首先被3D打印成設(shè)計(jì)的圖案，然后進(jìn)行自組裝過(guò)程，MXene溶膠轉(zhuǎn)化為MXene水凝膠.采用Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx三種MXene來(lái)證明該技術(shù)的普適性和可行性。
Figure 2. a通過(guò)自組裝制備的具有不同MXene含量的Ti3C2Tx水凝膠的照片。b粘度作為Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的剪切速率的函數(shù)。c儲(chǔ)能模量(G')和損耗模量(G'')作為Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C剪切應(yīng)力的函數(shù)3Tx墨水。d Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx油墨的G'與G"比率的頻率依賴性。e 4D打印MXene水凝膠結(jié)構(gòu)的照片（從左到右）：載玻片上的Ti3C2Tx水凝膠微晶格，載玻片上的Ti3C2Tx水凝膠矩形空心棱柱，Nb2CTx布上的水凝膠中國(guó)結(jié)，PET薄膜上的Nb2CTx水凝膠“CRANN”標(biāo)志，PET薄膜上的柔性Mo2Ti2C3Tx水凝膠MSC單元。e中的所有比例尺對(duì)應(yīng)于1厘米。f Nb2CTx水凝膠的SEM和能量色散X射線光譜(EDX)映射圖像。g Ti3C2Tx水凝膠的SEM和EDX映射圖像。h Mo2Ti2C3Tx的SEM和EDX映射圖像水凝膠。f–h中SEM圖像中的所有比例尺均為5μm，f–h中EDX映射圖像中的所有比例尺均為20 μm。i尺寸為10×2×2mm的Nb2CTx、Ti3C2Tx和Mo2Ti2C3Tx水凝膠的I−V曲線。j 純PEDOT:PSS薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝膠的拉曼光譜。高分辨率k Ti2p和l過(guò)濾后的Ti3C2Tx薄膜和4D打印的Ti3C2Tx水凝膠的C 1s XPS光譜。結(jié)合能全部校準(zhǔn)到284.8eV處的C 1s峰。
Figure 3. a Ti3C2Tx水凝膠(0.5 mg cm
-2)在掃描速率為10、20、50、100、200、500、1000、2000、3000、5000和10,000 mV s
-1時(shí)的CV曲線。b在100 mV s
-1的掃描速率下具有不同質(zhì)量負(fù)載的Ti3C2Tx水凝膠的CV曲線。c確定具有不同質(zhì)量負(fù)載的Ti3C2Tx水凝膠的斜率b值。d Ti3C2Tx倍率性能水凝膠的掃描速率為10至10,000 mV s
-1。繪制多孔Ti3C2Tx(4.3 mg cm
-2)和液晶Ti3C2Tx(6.16 mg cm
-2)用于比較。e在1 V s
-1下具有不同質(zhì)量負(fù)載的Ti3C2Tx水凝膠的電容保留。列出了許多高速電極用于比較，包括過(guò)濾多孔Ti3C2Tx,重組Ti3C2Tx,Ti3C2Tx-NbN,石墨烯帶,過(guò)濾Ti3C2Tx,液晶Ti3C2Tx,1T-MoS2,氧化Ti3C2Tx，過(guò)濾Ti3C2Tx水凝膠。f Ti3C2Tx水凝膠在10至10,000 mV s
-1掃描速率下具有不同質(zhì)量負(fù)載的面電容。g Ti3C2Tx水凝膠與基準(zhǔn)電極在1和2 Vs
-1掃描速率下的面電容比較。這些電極是多孔Ti3C2Tx、液晶Ti3C2Tx、1T−MoS2、過(guò)濾Ti3C2Tx水凝膠，過(guò)濾多孔Ti3C2Tx。h具有不同質(zhì)量負(fù)載的Ti3C2Tx水凝膠的EIS圖，在0.2V下獲取。i通過(guò)在100 mV s
-1循環(huán)進(jìn)行的Ti3C2Tx水凝膠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。插圖描繪了Ti3C2Tx水凝膠(1.0 mg cm
-2)在100、200、300、500和1000A g
-1的超高電流密度下的恒電流充放電(GCD)曲線。
Figure 4. a 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在掃描速率為2、5、10、20、50和100 mV s
-1時(shí)的CV曲線。b 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在電流密度為1、2、3、5和10 mA cm
-2時(shí)的GCD曲線。c 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC與其他打印的MSC的面電容比較。d 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC和其他高性能MSC的Ragone圖。電子4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在25°C、0和−20°C下掃描速率為10 mV s
-1的CV曲線。插圖是-20°C下的PVA-EG-H2SO4凝膠電解質(zhì)，顯示出極佳的透明度和柔韌性。f 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在冷卻/加熱循環(huán)期間的電容保持率。g 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC(10 mV s
-1)與低溫下其他器件的面電容比較。h 4D打印的Ti3C2Tx水凝膠MSC在30 mA cm
-1的電流密度和-20°C下的循環(huán)性能，插圖顯示了該MSC在-20℃下10,000次循環(huán)前后的EIS數(shù)據(jù)。i單個(gè)4D打印Ti3C2Tx水凝膠MSC、四個(gè)串聯(lián)MSC(4S)、四個(gè)并聯(lián)MSC(4P)以及兩個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)(2S2P)的CV曲線，掃描速率5 mV s
-1。插圖顯示了為三個(gè)LED指示燈供電的4S串聯(lián)設(shè)備的照片，展示了MSC在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。
相關(guān)研究工作由德雷塞爾大學(xué)的Yury Gogotsi教授及其合作者于2022年在線發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，原文：4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
