För första gången, ett team av forskare, från School of Materials och National Graphene Institute vid University of Manchester har formulerat bläck med 2D-materialet MXene, för att producera 3-D-tryckta interdigiterade elektroder.

Som publicerat i Avancerade material , dessa bläck har använts för att 3D-skriva ut elektroder som kan användas i energilagringsenheter som superkondensatorer.

MXene, ett "lerliknande" tvådimensionellt material som består av tidiga övergångsmetaller (som titan) och kolatomer, utvecklades först av Drexel University. Dock, till skillnad från de flesta leror, MXene visar hög elektrisk ledningsförmåga vid torkning och är hydrofil, så att de lätt kan dispergeras i vattenhaltiga suspensioner och bläck.

Grafen var världens första tvådimensionella material, mer ledande än koppar, många fler gånger starkare än stål, flexibel, transparent och en miljon gånger tunnare än diametern på ett människohår.

Sedan dess isolering, grafen har öppnat dörrarna för utforskning av andra tvådimensionella material, var och en med en rad olika egenskaper. Dock, för att kunna använda dessa unika egenskaper, 2D-material måste integreras effektivt i enheter och strukturer. Tillverkningsmetoden och materialformuleringarna är viktiga för att förverkliga detta.

Dr Suelen Barg som ledde teamet sa:"Vi visar att stora MXene-flingor som spänner över några atomer tjocka, och vatten kan oberoende användas för att formulera bläck med mycket specifikt viskoelastiskt beteende för tryckning. Dessa bläck kan direkt 3D-utskrivas till fristående arkitekturer över 20 lager höga. På grund av den utmärkta elektriska ledningsförmågan hos MXene, vi kan använda våra bläck för att direkt 3D-skriva ut strömkollektorfria superkondensatorer. De unika reologiska egenskaperna i kombination med tillvägagångssättets hållbarhet öppnar många möjligheter att utforska, speciellt inom energilagring och applikationer som kräver de funktionella egenskaperna hos 2-D MXene i skräddarsydda 3-D-arkitekturer."

Wenji och Jae, Ph.D. studenter vid Nano3D Lab vid universitetet, sa:"Additiv tillverkning erbjuder en möjlig metod att bygga skräddarsydd, energienheter för flera material, demonstrerar förmågan att fånga MXenes potential för användning i energitillämpningar. Vi hoppas att denna forskning kommer att öppna vägar för att helt frigöra potentialen hos MXene för användning inom detta område."

"De unika reologiska egenskaperna i kombination med tillvägagångssättets hållbarhet öppnar många möjligheter att utforska, speciellt inom energilagring och applikationer som kräver de funktionella egenskaperna hos 2-D MXene i skräddarsydda 3-D-arkitekturer, sade Dr Suelen Barg, Skolan för material.

Prestanda och tillämpning av dessa enheter förlitar sig alltmer på utveckling och skalbar tillverkning av innovativa material för att förbättra deras prestanda.

Superkondensatorer är enheter som kan producera enorma mängder ström samtidigt som de använder mycket mindre energi än konventionella enheter. Det har utförts mycket arbete på användningen av 2D-material i dessa typer av enheter på grund av deras utmärkta ledningsförmåga samt att de har potential att minska enhetens vikt.

Potentiella användningsområden för dessa enheter är för bilindustrin, som i elbilar samt för mobiltelefoner och annan elektronik.