李佳琦|具有真正 3D 宏观结构和高度工程化微结构的 3D 打印 MXene 气凝胶，可增强电气和电化学性能京东|信用卡|苹果

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使用3D打印技术将MXenes等2D材料组装成功能性3D气凝胶，由于制造简单、定制几何形状和物理特性以及改进的性能而受到关注。此外，建立直接的电极制造方法以阻止限制电极性能的电极材料的重新堆叠和/或聚集具有重要意义。在这项研究中，单向冷冻铸造和基于喷墨的3D打印相结合，以制造具有垂直排列的Ti3C2Tx片材的宏观多孔气凝胶。该制造方法旨在轻松控制MXene片材的气凝胶微观结构和排列。气凝胶表现出优异的机电性能，因此它们在恢复到原始形状之前可以承受近50%的压缩，并在连续压缩循环期间保持其导电性。为了提高电化学性能，喷墨打印的MXene集流体层添加了水平排列的MXene片材。这将集流体层的优异导电性与多孔电极提供的改进的离子扩散相结合。使用水平MXene片排列作为集流体和随后的垂直MXene片排列层制造的电池显示出最佳的电化学性能和与厚度无关的电容行为。

美国奥本大学、堪萨斯大学

1简介
自2011年发现以来， 2D MXenes出色的电子、机械、电化学和光学特性引起了广泛的研究兴趣。 MXenes是通过选择性蚀刻金属“A”层原子产生的过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物。相应的“MAX”阶段。术语“MAX”相是指化学成分为“Mn+1AXn”的一组层状陶瓷，其中“M”代表早期过渡金属， “A”代表A族元素， “X”代表碳和/或氮气。 MXenes已显示出卓越的特性，例如高导电性、亲水性以及在其层之间插入不同阳离子的能力。 [6-10
然而，与其他二维材料类似， MXenes在某些应用中的性能受到其倾向的影响在组装过程中重新堆叠和/或聚合。为了克服这个问题，人们成功地利用各种方法将2D材料集成到具有超轻特性、高孔隙率和大比表面积等有吸引力的特性的3D宏观结构中。 Ti3C2Tx是通过选择性蚀刻 Ti3AlC2MAX相中的Al原子制成的，是第一个发现和研究最多的MXene ，由Ti3C2Tx及其复合材料制成的宏观3D多孔结构在包括电化学能源在内的各种应用中显示出巨大的前景存储，电磁干扰屏蔽，传感应用，光热能转换，水/油分离和太阳能海水淡化应用。
单向冷冻铸造(UFC)方法以前已用于从Ti3C2Tx及其复合材料制造宏观3D多孔结构。在这种方法中，通过施加单向温度梯度来冷冻制备的Ti3C2TX片材和其他成分的凝胶或悬浮液。冰晶在冷表面上成核并沿温度梯度生长。 Ti3C2Tx片材被不断生长的冰晶排出并沿冻结方向排列，形成紧密堆积的连续网络。在UFC之后获得的这种有序的微观结构已经显示出对各种应用的巨大好处。例如， Bian等人利用UFC制造了用于电磁干扰(EMI)屏蔽应用的原始Ti3C2Tx气凝胶。他们的气凝胶的比屏蔽效率达到了9904 dB cm3 g-1 ，这是泡沫状材料报道的最高值。其他研究还报道了气凝胶，它是Ti3C2Tx和还原氧化石墨烯、海藻酸钠、纳米纤维素和明胶的复合材料，通过UFC制造。这些气凝胶的高EMI屏蔽性能归因于它们的超轻密度、高导电性和高度有序的多孔微结构。 Cai等人证明，通过UFC制造的Ti3C2TX基气凝胶的高度有序微结构对太阳能吸收非常有效，并显示出快速的毛细作用驱动的吸油能力。