MXenes 通常具有高金屬導電性、優異的親水性、可調節的層間間距和高電荷儲存容量，在微型超級電容器領域表現出突出的優勢。MXene的親水性和由表面官能團帶來的高負電荷（zeta 電位約為 -38 mV），使其可以在水性和有機溶劑中形成穩定的膠體分散體，拓展了其在溶液加工過程中的應用，包括塗層、印刷，有利於高效能MXene基微型超級電容器（MXene MSCs）的直接構建。同時，將MXene MSCs整合到功能性微電子器件中也是其產業化發展的關鍵動力，這需要 MXene MSCs與其他功能器件在製造和功能上的相互相容。對此，西南交通大學楊維清教授及其博士研究生黃海超等人從油墨流變學、微電極設計和整合系統等方面總結了 MXene 微型超級電容器的最新進展，闡明瞭當前開發高效能 MXene MSCs的面臨的挑戰和前景。
圖1. MXene MSCs概述:可調節MXenes油墨、平面內MXene MSCs及其整合系統。
1.MXene墨水的流變性
油墨成分的組成和各成分之間的協同作用決定了油墨的流變特性，它很大程度上決定了印刷結果是否具有一致性和可重複性（圖2）。MXene油墨大體可以分為水系和有機油墨。MXene水系油墨的流變性和多種因素有關，包括單層和多層MXene，墨水濃度，MXene片尺寸，和不同分散體等（圖3）。MXene在有機溶劑中的流變性與與水分散體類似，但相關的研究較少（圖4）。
圖2. 二維功能墨水的流變性。
圖3. MXene水性油墨的流變性。
圖4. MXene有機油墨的流變性。
2.MXene基微型超級電容器
MXene的親水性的表面官能團和負的zeta電位賦予了MXene在極性溶劑中的穩定分散性，這有利於MXene透過溶液加工技術來構建微型超級電容器（圖5）。目前，MXene MSCs的工作主要集中MXene改性（圖6）、插層/複合（圖7）、微結構設計（3D，非對稱結構等）（圖8，9）等方面，旨在進一步提升器件的面積能量密度，滿足實際應用場景的需求。
圖5. 透過溶液加工過程製造MXene MSCs的方法，包括噴塗/旋塗、3D列印、墨水書寫、圖案塗覆、絲網印刷等塗層和印刷技術。
圖6. 基於改性MXene的MSCs。
圖7. 基於插層/複合MXene的MSCs。
圖8. 3D MXene結構。
圖9. 非對稱 MXene MSCs。
3.MXene MSCs的功能整合
目前，MXene MSCs 的焦點主要集中在製造技術和電極材料的最佳化上，對功能性整合關注較少。首先，為了滿足不同應用場景的需求，MXene MSCs往往需要透過串並聯來獲得更高的輸出電壓或者更高的儲能容量（圖10）。MXene基微型超級電容器整合系統的供能方式主要有奈米發電機、太陽能電池以及無線充電等（圖11）。MXene MSCs的功能化整合主要體現在微感測、濾波、光電探測以及電磁遮蔽等方面（圖12，13）。其中，多功能整合系統中MXene MSCs模組的效能如表1所示。
圖10. MXene MSCs的串並聯整合。
圖11. MXene MSCs的供能方式。
圖12. MXene MSCs的功能性整合。
圖13. MXene MSCs用於交流濾波。
表 1. MXene MSCS的電化學效能及其整合應用。
Note: BP – black phosphorus; LTO – lithium titanate; LFP – lithium iron phosphate; Co-Al-LDH – Co-Al layered double hydroxide; NMP – N-methyl-2-pyrrolidone; GO – graphene oxide; PEDOT – poly(3,4-ethylenedioxy thiophene).
通訊作者簡介
楊維清教授簡介：西南交通大學前沿科學研究院院長，從事能源資訊材料與器件研究，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等國際著名刊物上發表SCI收錄論文共計240餘篇，入選Elsevier高被引學者、Stanford-Elsevier全球全領域2%Top科學家；長期擔任科技部重大研發計劃專案會評專家和國家科技獎評審專家；科技成果轉化專利30餘項，轉化經費3000餘萬元；擔任中國超級電容器產業聯盟副秘書長；獲得教育部創新團隊、省“青年科技創新研究團隊”、省傑出青年基金、省“QR計劃”創新人才。所做工作被美國國家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒體專題報道。
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來源：高分子科學前沿--作者團隊獨家授權釋出
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