【复材资讯】北京林业大学许凤教授团队AFM：一种基于木质素/MXene/氧化石墨烯的新型3D打印油墨

随着可再生能源的快速发展和智能设备需求的增加，高效能量存储技术成为当今科学研究的热点。超级电容器因其优异的功率密度、快速充放电能力和长循环寿命，逐渐成为未来能量存储的重要器件。然而，传统电极材料在提高质量负载和比电容方面存在技术瓶颈，尤其是在拟通过增加电极厚度提高质量负载时，离子传输受限、电化学性能显著下降的问题依然未能得到有效解决。3D打印技术由于其能够精确构建复杂的三维结构，为厚电极的高效设计带来了新的可能性。

针对以上挑战，北京林业大学许凤教授团队开发了一种基于木质素/MXene/氧化石墨烯的新型3D打印油墨，通过油墨调控成功解决了3D打印油墨的流变性能和形状保持问题。同时将以上油墨用于3D打印电极以及超级电容器。通过结构设计，提升了厚电极材料的离子传输效率，实现了超高的质量负载和面积电容，显著提升了超级电容器的能量存储能力，为高性能能量存储器件的开发提供了新的设计思路。文章以“Advanced MXene/Graphene Oxide/Lignosulfonate Inks for 3D Printing Thick Electrodes with Vertically Aligned Pores to Dually Boost Mass Loading and Areal Capacitance”发表在Advanced Functional Materials上，第一作者是北京林业大学材料学院叶海船，通讯作者为游婷婷副教授及许凤教授。

图文解析

图1 3D打印电极的制备及其在超级电容器中的应用

木质素是自然界中最丰富的可再生芳香化合物。该研究利用木质素调控3D打印油墨的流变性能和3D打印性能。研究发现，开发的MXene/石墨烯氧化物/木质素磺酸盐（MGL）油墨展现了优异的流变性能，具有典型的剪切变稀特性，确保油墨在3D打印过程中能够顺利挤出并在打印后保持形状稳定。通过调整油墨的粘度、储能模量和屈服应力，研究团队实现了对油墨流动性和结构稳定性的精确控制，使其在打印过程中能够形成连续的结构。此外，MGL油墨的高粘度和良好的储能模量保证了打印后的结构完整性和精度，成功制备了具有垂直孔道的厚电极，为电化学性能的提升提供了结构支持。

图2 油墨的流变性能和3D打印性能

通过3D打印技术制备的电极具有精巧的三维结构，其独特的垂直孔道排列显著增强了离子传输和电解质渗透效率。该结构由横向和纵向的线条交织而成，形成均匀的网格状网络，确保在保持高质量负载的同时，维持良好的电化学性能。微观结构上，电极中的MXene与还原氧化石墨烯在木质素磺酸盐的作用下形成了稳定的三维多孔网络，这有助于增加活性表面积，使得电极能够在高厚度下仍具备出色的离子传输能力和电化学反应速率。

图3 3D打印电极的结构

3D打印电极展现出优异的电化学特性。3D打印电极具有高达8.6 F/cm⊃2;的面积比电容，是传统块状电极的9.6倍。通过循环伏安和恒流充放电测试，电极表现出良好的可逆性和快速的离子传输能力。此外，电化学阻抗谱表明，该电极具有较低的电荷转移阻抗和内阻，进一步证实了其在高厚度下依然具备优异的电化学反应速率。整体来看，3D打印电极的创新结构有效提升了其在高厚度下的电化学性能，满足了高能量存储需求。

图4 3D打印电极的电化学性能

3D打印电极组装后的超级电容器展现出卓越的电化学性能。超级电容器充放电能量密度达到505.3 μWh/cm⊃2;，显著超过传统块状电极的52.8 μWh/cm⊃2;。电化学阻抗测试表明，该超级电容器具有低电荷转移电阻和快速的离子扩散能力。此外，超级电容器保持了较高的电容保持率，并在循环2000次后依然能保持94%的电容，展现出优异的循环稳定性，证明其在高能量存储与长寿命应用中的巨大潜力。

图5 3D打印超级电容器的电化学性能

来源：北林材料资讯

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202413343

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原标题：《【复材资讯】北京林业大学许凤教授团队AFM：一种基于木质素/MXene/氧化石墨烯的新型3D打印油墨》

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