Aqueous MXene inks for inkjet-printing microsupercapacitors with ultrahigh energy densities

喷墨打印 材料科学 水溶液 化学工程 纳米技术 墨水池 能量密度 复合材料 工程物理 化学 有机化学 工程类
作者
Guixin Wang,Rui Zhang,Hongqiong Zhang,Kui Cheng
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:645: 359-370 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.04.155
摘要

Although inkjet-printing technology has achieved significant development in preparing scalable and adaptable energy storage devices for portable and micro devices, searching for additive-free and environmentally friendly aqueous inks is a significant challenge. Hence, an aqueous MXene/sodium alginate-Fe2+ hybrid ink (denoted as MXene/SA-Fe) with solution processability and suitable viscosity is prepared for direct inkjet printing microsupercapacitors (MSCs). The SA molecules are adsorbed on the surface of MXene nanosheets to construct three-dimensional (3D) structures, thus effectively alleviating the two notorious problems of oxidation and self-restacking of MXene. Concurrently, Fe2+ ions can compress the ineffective macropore volume and make the 3D structure more compact. Moreover, the hydrogen and covalent bonding formed between the MXene nanosheet, SA, and Fe2+ effectively protects the oxidation of MXene and thus increases its stability. Thus, the MXene/SA-Fe ink endows the inkjet-printed MSC electrode with abundant active sites for ion storage and a highly conductive network for electron transfer. As a demonstration, the MXene/SA-Fe ink is used to direct inkjet-printed MSCs with an electrode spacing of 310 μm, which exhibit remarkable capacitances of 123.8 mF cm-2 (@5 mV s-1), good rate capability, an extraordinary energy density of 8.44 μWh cm-2 at a power density of 33.70 μW cm-2, long-term cycling stability of 91.4 % capacitance retention after 10,000 cycles, and surprising mechanical durability with 90.0 % of its initial capacitance retained after 10,000 bending cycles. Therefore, MXene/SA-Fe inks are expected to create various opportunities for printable electronics.
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