郝躍院士、馬曉華教授團(tuán)隊仲鵬副教授在噴墨打印MXene儲能器件方面取得重要進(jìn)展

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、可穿戴設(shè)備以及植入式醫(yī)療電子的飛速發(fā)展，市場對微型儲能器件的需求呈現(xiàn)快速增長。傳統(tǒng)電池制造工藝往往受限于體積大、形狀固定等問題，難以滿足新型電子設(shè)備對“輕薄短小”及“柔性化”的極致追求。噴墨打印技術(shù)作為一種非接觸式、數(shù)字化控制的增材制造手段，被認(rèn)為是實現(xiàn)微型超級電容器低成本、規(guī)模化制造的理想途徑。然而，這一技術(shù)的核心瓶頸在于“墨水”——即如何獲得既具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異電化學(xué)活性，又能長期穩(wěn)定分散的功能材料墨水。

近日，西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院仲鵬副教授課題組在這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊聚焦于二維過渡金屬碳化物（MXene）材料，針對其在水相和有機(jī)相中面臨的穩(wěn)定性與分散性難題，通過精準(zhǔn)的分子工程策略，成功開發(fā)出兩款高性能MXene導(dǎo)電墨水。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國際知名期刊《Small》和《ACS Applied Materials & Interfaces》。

研究一：基于氟化多巴胺功能化的MXene有機(jī)墨水（Small, 2026, 22, e12628）

論文題目：Unveiling the Roles of Fluoroalkylated-Dopamine Functionalization in Dispersion Stability of MXene Organic Inks and Electrochemical Performance of Inkjet-Printed Micro-Supercapacitors

針對MXene材料表面親水性強(qiáng)、難以在有機(jī)溶劑中穩(wěn)定分散且易發(fā)生層間堆疊的問題，團(tuán)隊引入了一種仿生策略，利用氟化多巴胺（ADOPA）對MXene進(jìn)行表面共價修飾，成功解決了MXene在有機(jī)溶劑中難以分散且易發(fā)生層間堆疊的問題。

該研究深入揭示了ADOPA分子在MXene表面的“錨定-撐開”雙重機(jī)制：一方面，多巴胺基團(tuán)通過強(qiáng)氫鍵作用牢固吸附于MXene表面；另一方面，氟化烷基鏈如同“分子支柱”般插入片層之間，有效增大了層間距并賦予了材料優(yōu)異的疏水性與溶劑相容性?；谶@種墨水，團(tuán)隊采用噴墨打印技術(shù)制備了微型超級電容器。測試結(jié)果顯示，該器件具有極高的體積比容量（857.33 F cm?3）和優(yōu)異的能量密度（11.10 mWh cm?3）。此外，器件展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，在10000次充放電循環(huán)后電容保持率高達(dá)95.48%，證明了該改性策略在提升器件綜合性能方面的顯著優(yōu)勢。

機(jī)理創(chuàng)新：利用ADOPA分子中的鄰苯二酚基團(tuán)與MXene表面形成強(qiáng)氫鍵錨定，同時利用氟化烷基鏈的疏水效應(yīng)和位阻效應(yīng)，成功制備了無添加劑的高導(dǎo)電有機(jī)墨水。理論計算揭示了ADOPA分子在界面處的“平躺”吸附構(gòu)型。

性能提升：基于該墨水打印的微型超級電容器展現(xiàn)出卓越的體積能量密度（11.10 mWh cm?3）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（95.48% @ 10000 cycles）。

研究二：基于SDS表面修飾的高穩(wěn)定性水性墨水（ACS AMI, 2026, 18, 24728）

論文題目：A Highly Stable MXene Aqueous Conductive Ink for Inkjet Printing Flexible Microsupercapacitors

在水性體系應(yīng)用中，MXene面臨著極易水解和被水中溶解氧氧化降解的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致墨水保質(zhì)期極短，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。為此，團(tuán)隊提出了一種簡便高效的表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）表面修飾策略。

研究發(fā)現(xiàn)，SDS分子能夠以平行構(gòu)型緊密吸附在MXene表面，形成一層致密的保護(hù)層。這層保護(hù)膜不僅有效阻斷了水分子和氧氣對MXene邊緣缺陷位點的侵蝕，還抑制了納米片的團(tuán)聚。實驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)SDS改性的MXene水性墨水穩(wěn)定性得到極大提升，其壽命常數(shù)從原本的22.1天大幅延長至157.3天，實現(xiàn)了超過5個月的穩(wěn)定儲存。利用這種“超長待機(jī)”的墨水打印制備的柔性微型超級電容器，體積比容量達(dá)到714.3 F cm?3，且在空氣中長期放置后仍能保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。這一突破為MXene墨水的工業(yè)化生產(chǎn)、運輸及存儲提供了切實可行的解決方案。

材料設(shè)計：研究發(fā)現(xiàn)SDS分子通過靜電吸附和氫鍵作用，以平行構(gòu)型緊密吸附在MXene表面，有效覆蓋了邊緣缺陷位點，阻斷了水氧侵蝕路徑。

性能提升：該策略將MXene水性墨水的壽命常數(shù)從22.1天提升至157.3天。制備的噴墨打印器件面電容達(dá)到25 mF cm?2，體積比容量高達(dá)714.3 F cm?3，且展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔韌性。

總結(jié)

仲鵬副教授課題組的系列研究，分別從有機(jī)相和水相兩個維度攻克了MXene墨水的核心難題。通過精準(zhǔn)的分子界面工程，團(tuán)隊不僅闡明了功能分子與二維材料表面的相互作用機(jī)理，更為下一代柔性、微型化能源存儲器件的規(guī)模化制造奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

目前，該團(tuán)隊正致力于將上述墨水體系應(yīng)用于更復(fù)雜的柔性電路與智能傳感系統(tǒng)中，推動實驗室成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

論文鏈接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202512628

2. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.6c03460

作者簡介：

鞏萍萍，論文第一作者，西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院2023級博士生，主要從事噴墨打印MXene基儲能器件研究，目前以第一作者（或共同一作）在Small、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces發(fā)表研究論文3篇。

仲鵬副教授，論文通訊作者，Vebleo Fellow，西電材料院納米系主任、電子信息材料本科專業(yè)負(fù)責(zé)人。擔(dān)任中國光電產(chǎn)業(yè)平臺專家委員會理事、江蘇省“科技副總”特聘專家、西安市科協(xié)科技智庫專家等。近年來主要從事二維MXenes的合成、制造及其在電子和能源應(yīng)用等研究工作。承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃子課題、國自科面上/青年項目、陜西省自科基金、產(chǎn)學(xué)研項目等多項課題；在AFM，Nano Energy，Small, CEJ等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文70余篇；申請/授權(quán)中國發(fā)明專利14項，成果轉(zhuǎn)化3項；獲陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計劃、陜西高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)一等獎等榮譽。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。

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