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( 二 ) 京东|信用卡|苹果

此外， MXene气凝胶已被广泛用作电化学储能装置的电极。设计电极结构以增强其离子和电子电导率可以显着影响电化学性能，包括倍率性能。 Yang等人使用UFC制造了多孔Ti3C2Tx薄膜，以实现由层状孔内垂直排列的MXene壁组成的均匀微观结构。基于MXene薄膜的超级电容器电极在10 00 A g-1和4444 mA cm-2下分别表现出150 kW kg-1和667 mW cm-2的非常高的重量和面功率密度。基于Ti3C2Tx的多孔超级电容器电极膜的性能归因于由允许快速电化学充放电循环的有序微结构产生的有效离子传输。在我们之前的研究中，我们通过UFC制造具有有序Ti3C2Tx片材的气凝胶，证明了微观结构对MXene气凝胶的机械、电学和电化学性能的关键作用。由这些气凝胶制成的锂离子电容器电极具有非常高的比容量（在0.05 A g-1时≈1210 mAh g-1）、优异的倍率性能（在10 A g-1时≈200 mAh g-1）和出色的由于其高度有序和精心设计的微观结构，因此具有循环性能。
尽管UFC提供了具有良好有序微观结构的多孔Ti3C2Tx体，已被证明对多种应用有益，但这种方法缺乏制造具有复杂工程宏观结构的多孔体的能力，因为它是一种基于模具的制造方法。对于电化学储能设备等应用，电极的几何形状、结构和微孔形态在电容行为中起着至关重要的作用，制造具有定制的分层结构的设备，包括微孔、中孔和大孔是一项重大挑战.为了解决这个问题， Li等人进行了基于挤压的3D打印，然后使用UFC从基于Ti3C2Tx的气凝胶中制造了厚的叉指型微型超级电容器(MSCs) 。定向冷冻后获得了高度有序的蜂窝状微孔结构，促进了电解质渗透到内部活性位点，这可以提高电化学性能，也可以提高对变形的弹性。
尽管MXenes的3D打印最近取得了进展，但由于基于挤压的3D打印的局限性，如果不使用繁琐的化学/热后处理，通常很难制造具有悬垂特征或改变横截面几何形状的真正3D架构。在之前报道的3D打印MXene气凝胶中，已经使用了基于挤出的3D打印方法，并且由于缺乏在打印过程后可以轻松去除的支撑材料，因此制造的结构必须具有恒定的横截面几何形状。此外，控制印刷结构中MXene片材的方向一直具有挑战性。正如我们在本文中所展示的那样，控制纸张在水平和垂直方向上的方向的能力允许设计印刷品的微观结构，提高它们的性能，并扩展它们的应用。
在这里，我们报告了使用3D冷冻打印(3DFP)方法制造超轻和真正的3D MXene气凝胶结构。这种新颖的制造方法结合了UFC和按需喷墨打印来定制气凝胶的微观和宏观结构。与基于挤压的3D打印不同， 3DFP不需要粘弹性剪切稀释墨水，并且可以使用水（冰）作为支撑材料来制造具有悬垂特征的真正3D结构。在这项研究中，我们对3DFP Ti3C2Tx气凝胶进行了机械、电气和电化学表征，以评估它们在不同应用中的潜力，例如压阻传感、柔性/可穿戴电子设备和MSC设备。此外，利用基于喷墨的3D打印方法所提供的优势，我们制造了全MXene MSC器件，该器件由集流体和多孔电极组成， MXene片材的方向受控。具有工程微结构的3D打印全MXene MSC器件由水平和垂直排列的MXene薄片组成，证明了MXene薄片排列对MSCs电化学性能的重要性。结果表明，具有水平排列的MXenes的集流体层有助于提高电导率，而具有高孔隙率的垂直排列层在高扫描速率下提供更好的离子传输和改进的性能。据我们所知，这是第一份提出具有水平和垂直对齐MXene片材的全固态MXene MSC设备的报告。我们的结果表明3DFP是一种简单、直接且廉价的电极制造方法，具有极大的可定制性来设计电极的微观和宏观结构。