Advanced Materials：基于印刷和图案化沉积MXene的器件应用

【引言】

作为二维材料家族中蓬勃发展的新成员，过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物（MXenes）表现出色的电化学，电学，光学和机械性能，在能源存储、电子、光电子、生物医学、传感器和催化等诸多领域具有重要应用前景。与其他二维材料相比，MXenes具有的一些独特的性质，如高金属导电性，出色的分散能力，负表面电荷和亲水性，使其尤其适合用作印刷电子墨水。因此近年来印刷和图案化沉积方法逐渐受到MXene领域研究者的广泛关注，这些方法不仅简单、经济高效、灵活且环保，更可实现复杂的3D结构构筑结构，可以适用于多种应用场景。 通过印刷和图案化沉积，可以极大地提高MXene的性能和应用范围， 因此，这些方法不仅是器件制备新工具，更有利于拓展MXene的新应用及其产业化。

【成果简介】

在这篇综述中，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Husam N. Alshareef教授课题组全面地总结了用于MXene的器件制作的印刷和图案化沉积方法。作者首先总结了MXene墨水的制备，墨水物理参数的调控和墨水稳定性的优化。之后介绍几种印刷和图案化沉积的制备技术，包括喷墨印刷，丝网印刷，转印，3D打印，图案化喷涂、真空抽滤等方法的原理及优缺点。接下来介绍了印刷/图案化沉积MXene在能源存储，电子和光电子，传感与驱动器等领域的应用。最后，作者提出对该领域的机遇与挑战的展望。该成果以“MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201908486）。论文共同第一作者为KAUST的张一洲博士，荷兰Twente大学的王洋和剑桥大学的江秋博士。

【图文导读】

图1. 制备印刷/图案化沉积MXene器件的关键要素

图2. MXene的合成方法

图3. MXene墨水的流体性质

图4. 印刷/图案化沉积MXene薄膜的技术

图5. 喷墨印刷制备MXene超级电容器

图6. 丝网印刷制备Mxene超级电容器

图7.转印法制备MXene超级电容器

图8. 3D打印制备MXene超级电容器

图9. 图案化沉积技术制备MXene电容器

图10. 基于MXene/Si复合电极的锂离子电池

图11. 3D打印MXene阵列用于锂离子电池

图12. 印刷制备MXene电子器件

图13. 印刷制备MXene光电子器件

图14. 印刷制备MXene传感器件

图15. 印刷制备MXene用于驱动器

【总结与展望】

作者总结了印刷/图案化沉积MXene在能源存储，电子，光电子，传感和驱动器等方面的最新进展。 还讨论了相关的印刷/图案化沉积技术以及与其过程有关的特殊问题。该领域方兴未艾，仅有几种印刷和图案化沉积方法被用于沉积/图案化MXene。尽管某些已报道的器件表现出了出色的性能，但大多数工作都局限于实验室规模的研究活动，必须针对实际应用进行扩展。例如，尚没有关于使用卷对卷方法打印MXene的报告，这对于工业化至关重要。打印的强大功能，尤其是3D打印在构造新型材料组件/器件结构/多功能方面的能力仍有待探索；由于不同的特征尺寸和对墨水的要求，不同印刷和图案化沉积技术的结合可以提供更快的生产速度和更复杂的印刷结构，从而可以集成不同的设备（例如，能源存储和电子设备）。最终，迫切需要对油墨和印刷/图案化沉积工艺的优化进行详细研究。展望未来，印刷的高分辨率特点将进一步改善器件的性能，降低制造成本，更易于集成以及各种基于MXene的设备的小型化。

文献链接

MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications. Adv. Mater. 2020, 1908486. DOI: 10.1002/adma.201908486.