噴墨打印微型超級電容器及自供電集成系統構筑的示意圖
中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊與薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團隊合作，開發出一種水系MXene/PH1000雜化墨水，利用噴墨打印技術高精度、規模化制備出高體積容量的微型超級電容器，并構建出平面全柔性自供電溫度傳感系統。
隨著數字技術的發展，便攜式和可穿戴微型電化學儲能器件要求具有柔性、長壽命、可定制形狀以及與微電子兼容集成等特性。將產能、儲能和用能器件集成于一體，構建自供電系統可以解決可再生能源發電間歇性的問題。目前，此類集成微系統大多采用多種制造技術，如光刻、激光切割、電沉積等，不能保證良好的兼容性和低成本。噴墨打印是一種高精度、非接觸、無需掩模板的打印技術，被認為是一種可定制化設計智能柔性電子產品有前景的策略。然而，制備性能穩定、可打印、環境友好的墨水仍具挑戰。
近日，科研人員報道了一種水系MXene/PH1000雜化墨水，具有高電導率、可調的粘度、卓越的打印性及長期穩定性，可同時作為高電容電極、高導電集流體、無金屬連接線和導電粘合劑。噴墨打印的微型超級電容器具有754F/cm3的高體積電容量，5.4V/cm2的高面電壓，60個串聯的無金屬集流體和連接線的微型超級電容器可以輸出高達36V的電壓。此外，科研人員在柔性襯底上打印微型超級電容器與溫度傳感器，同時與柔性硅薄膜太陽電池集成，構建了全柔性自供電溫度傳感集成系統，實現了對溫度變化的即時監測。該水系MXene雜化墨水為構建可打印的自供電微系統開辟了新途徑。
在構建柔性微系統研究工作中，吳忠帥團隊此前曾制備出雙功能介孔聚吡咯/石墨烯材料用于自驅動氣體監測（Adv. Funct. Mater.，2020）；開發出多功能MXene油墨應用于身體運動監測（Adv. Mater.，2021）；制備出高電壓鉀離子微型超級電容器用于壓力傳感器（Adv. Energy Mater.，2021）。
相關研究成果以Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics為題，發表在Advanced Energy Materials上。論文第一作者為大連化物所二維材料化學與能源應用研究組博士研究生馬佳鑫和副研究員鄭雙好。研究工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創新研究院合作基金、遼寧省中央引導地方科技發展專項等的支持。
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