Исследователи из Университета штата Бойсе разработали стабильную и высокоэффективную рецептуру MXene-чернил на основе Ti₃C₂Tx, оптимизированную для печати аэрозольной струёй. Это открывает путь к масштабируемому производству микросуперконденсаторов, датчиков и других устройств для хранения энергии.
Основные моменты исследования
- Публикация. Работа опубликована в журнале Small Methods.
- Материалы. MXenes — семейство двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов — ценятся за свои исключительные физические и химические свойства. Они являются перспективными электродными материалами для устройств хранения электрохимической энергии благодаря своей уникальной структуре.
- Сложности. Несмотря на достижения в области обработки растворов двумерных материалов, разработка подходящих функциональных чернил остаётся сложной задачей. MXenes могут быть легко диспергированы в воде, но такие дисперсии подвержены окислению и обычно разрушаются в течение нескольких дней при комнатной температуре.
- Решение. Исследовательская группа из Университета штата Бойсе преодолела ключевые проблемы, разработав MXene-чернила с долгосрочной химической и физической стабильностью. Это позволило обеспечить постоянную возможность печати аэрозольной струёй и достичь высокого разрешения узоров с минимальным перерасходом материала.
Результаты
Используя разработанную рецептуру, команда успешно изготовила микросуперконденсаторные устройства непосредственно на гибких и негибких подложках, таких как плёнка Kapton и трубки из оксида алюминия.
Эти напечатанные устройства не только продемонстрировали отличную ёмкость, стабильность при циклировании и механическую прочность, но и достигли самых высоких показателей среди печатных MXene-суперконденсаторов, о которых сообщалось ранее.
Потенциал
Этот прорыв подчёркивает преобразующий потенциал аэрозольной струйной печати с использованием MXene-чернил для масштабируемого и экономически эффективного производства электронных и электрохимических устройств следующего поколения, включая носимые устройства, датчики IoT и лёгкие энергетические системы.
«Наша рецептура чернил позволяет точно печатать сложные структуры и остаётся стабильной более 6 месяцев», — сказала Фереште Раджаби Кучи, ведущий автор и докторант в Школе материаловедения и инженерии Micron. «Это достижение открывает двери для устойчивого производства миниатюрных энергетических устройств методом „рулон к рулону“».
Характеристики
Разработанные MXene-чернила обеспечивают высокое разрешение печати (ширина линий ≈45 мкм) с минимальным перерасходом материала.
Суперконденсатор, напечатанный методом аэрозольной струи, имеет удельную ёмкость 122 мФ/см² и объёмную ёмкость 611 Ф/см³, что ставит его в число наиболее эффективных печатных суперконденсаторов, о которых сообщалось ранее.
Применение
Суперконденсаторы — это устройства для хранения энергии, которые сочетают в себе плотность мощности и плотность энергии между обычными конденсаторами и батареями, обеспечивая высокую мощность и быстрые циклы зарядки-разрядки. Рынок суперконденсаторов быстро расширяется, с прогнозируемым среднегодовым темпом роста 15,3%, который достигнет 8,3 миллиарда долларов к 2034 году. Печатные суперконденсаторы набирают популярность благодаря их лёгкому и гибкому дизайну, что позволяет легко интегрировать их в носимые устройства и новые электронные приложения.