東華大学呉培毅教授の研究グループ「先端科学」：3Dプリントマイクロ超電導デバイス

出典: ポリマーテクノロジー 2 次元遷移金属炭化物または窒化物 (MXene) は、その固有の電子特性、大きな比表面積、豊富な電気化学的活性部位により、発見以来、電気化学的エネルギー貯蔵の分野で広く使用されてきました。しかし、電極に自己組織化する場合、2D MXene シートは基板上に層ごとに蓄積する傾向があり、直交方向に非常に曲がりくねったイオン経路が生じ、イオンのアクセスが妨げられます。現在、自己スタッキング問題に対処するための主な戦略は 2 つあります。(1) インターカラントを導入して層間相互作用に抵抗し、層間空間を拡大すること、(2) 2D ナノシートを構成要素として使用して、秩序だったまたは多孔質の 3D 構造を設計することです。
近年、Wu Peiyi教授の研究グループは、Mxeneなどの2次元材料の準備と適用に関する一連の研究の進歩を遂げましたテンプレート、Mxeneは酸化され、GOシート間で連続的に分布したTio2ナノ結晶を生成したため、GOシート内で連続ナノチャネルが生成され、GO膜の浸水能力が大幅に改善されました。 IDEコンポジットフィルムは、電気断熱性能に影響を与えることなく大幅に改善されました（Mater。Chem。Front。2020、4、 292.); 血管の弾性層と筋層の複合構造に着想を得て、MXeneをハイドロゲル層の充填剤として使用して、優れた機械的伸縮性、熱感度、近赤外線光熱特性を示す熱感受性ハイドロゲル-熱可塑性エラストマー複合チューブを調製しました（Mater. Horiz. 2020, 7, 2150.）。多機能センシング能力を備えたケブラー/MXeneスマートウェアラブル繊維生地を湿式紡糸技術で調製しました（ACS Nano 2021, 15,8676.）。
上記背景に基づいて、著者らは高性能 MXene ハイドロゲルスーパーキャパシタ電極を製造するための、容易なマルチスケール構造調整戦略を提案しました。図 1 に示すように、MXene スラリーを一方向に凍結し、硫酸電解液で解凍すると、自立型 MXene ゲル電極に 3 次元の整列したマクロ構造とプロトン挿入ミクロ構造が形成され、イオン貯蔵のための豊富な活性部位が提供されます。同時に、整列したチャネルは縦方向の効率的なイオンおよび電子輸送経路をもたらし、電解質の浸透と電解質と電極間の物質交換を促進します。さらに、MXene の弱いゲル特性のおかげで、この戦略は 3D プリントされた MXene マイクロスーパーキャパシタ (MSC) にも拡張できます。
図 1. マルチスケール構造制御戦略の概略図図 2 に示すように、一方向凍結後、温度勾配方向に沿って成長した氷結晶により MXene シートが垂直に配列され、マクロ構造内に秩序だったチャネルが形成され、その後 3M H2SO4 で解凍されます。解凍プロセス中、プロトンの挿入と Li+ の置換、および解凍溶液の凝固点が -20 °C 未満であるため、ゲル内の方向性と秩序構造が保持されます。
図 2. MXene ゲル電極の構造特性。
図 3 では、著者らは 3 つの電極構成を使用して、MXene フィルム、エアロゲル、無秩序ゲル、および秩序ゲルの電気化学的特性をテストおよび比較しています。対照的に、整列した MXene ゲル電極は、より高い比静電容量と速度性能を備えています。
図 3. MXene ゲル電極の電気化学テストと比較。
図 4. 3D プリント MXene MSC に適用されたマルチスケール構造制御戦略。
図4と図5では、著者らはさらにこの戦略を3DプリントされたMXene MSCの製造に適用し、得られたMSC電極もハニカム層間構造を有していました。 1.2 mA cm-2の電流密度では、MSCは2.0 F cm-2という非常に高い面容量を示しました。60 mA cm-2でも、面容量は1.2 F cm-2のままでした。同時に、デバイスのエネルギー密度も非常に高いレベルに達しました（0.1 mWh cm-2、0.38 mW cm-2）。この戦略は、ミクロからマクロスケールまでの電極構造の設計を通じて、エネルギー貯蔵アプリケーションにおける利点を実証しており、他の同様の2次元材料の電極構造の構築にも適用されることが期待されています。
図 5. 3D プリントされた MXene MSC の電気化学的性能。
上記の研究結果は最近、「高性能MXeneハイドロゲルスーパーキャパシタ電極のためのマルチスケール構造工学戦略」というタイトルでAdvanced Scienceに掲載されました。復旦大学の博士課程学生である黄先武氏と黄家慧氏がこの論文の共同筆頭著者であり、楊東教授と呉培毅教授が論文の責任著者である。
論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101664

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