一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法及其在MXene柔性电极中的应用技术

本发明专利技术公开了一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，该方法包括如下步骤：S1：称取TiH2、Al以及C粉末，按比例混合后球磨，然后转移至坩埚中，在真空管式炉中于惰性气氛保护下1400℃反应2h，得到MAX前驱体；S2：用LiF和HCl的混合液对MAX前驱体进行化学刻蚀，得到MXene材料；S3：将MXene材料进行低温超声、离心后，得到Ti3C2MXene墨水。本发明专利技术的MXene墨水可用于制备MXene柔性电极，具体是将墨水注入墨盒中，打印设计图案的MXene柔性电极，然后真空干燥即可。本发明专利技术的MXene墨水制备工艺简单，成本低，且制得的墨水亲水性好，电导率高，可大规模制备。

A preparation method of MXene ink based on inkjet printing and its application in MXene flexible electrode

The invention discloses a preparation method of MXene ink based on inkjet printing. The method comprises the following steps: S1: weighing TiH2, Al and C powders, milling them in proportion, then transferring them to crucible, reacting at 1400 C for 2 hours in vacuum tubular furnace under inert atmosphere protection, and obtaining MAX precursor; S2: using LiF and HCl; MXene material was obtained by chemical etching of MAX precursor in mixed solution. S3: Ti3C2MXene ink was obtained by low temperature ultrasound and centrifugation of MXene material. The MXene ink of the invention can be used to prepare MXene flexible electrode, in particular, the ink is injected into the cartridge, the MXene flexible electrode of the design pattern is printed, and then vacuum drying can be done. The MXene ink of the invention has the advantages of simple preparation process, low cost, good hydrophilicity, high conductivity and large-scale preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法及其在MXene柔性电极中的应用
本专利技术属于印刷电路领域，具体涉及一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法及其在MXene柔性电极中的应用。
技术介绍
随着时代不断地发展进步，人们对于生活的质量要求越来越高，可穿戴电子产品得到了大家的广泛关注，同时柔性电子器件也引起了人们巨大的兴趣。为了更好的实现电子设备的可穿戴性，所制备的储能电子器件需要具有微型、柔性、高导电性等特点。而一般柔性电极的制备通常采用磁控溅射、热蒸镀、电镀以及3D打印技术等方法。而这些方法不仅造价昂贵，而且制备工艺复杂，需要耗费大量时间精力。然而喷墨打印作为一种简单、非直接接触的沉积技术对于柔性电极的制备有着很明显的优势。除此之外，喷墨打印还可以控制打印的形状、位置、电导率、薄膜的厚度以及均匀性等。喷墨打印制备电极的关键在于如何制备一种同时具有高导电性和良好分散性的墨水，常用的导电墨水有银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等纳米材料。然而上述材料在使用的过程中，很难同时具备高的导电性和稳定性，这些缺点也限制了其在柔性储能电子器件中的广泛应用。MXene作为一种新型的二维材料，具有大的比表面积、良好的水溶性、金属导电性好(6700s/cm)等优点，非常适合作为电极材料。另一方面，导电墨水中的活性材料的分散性和尺寸至关重要，较差的分散性和过大的尺寸都会堵塞打印机的喷头。在论文“Inkjetprintingofconductivepatternsandsupercapacitorsusingamulti-walledcarbonnanotube/Agnanoparticlebasedink.”(WangS，LiuN,TaoJ,et.al,.J.Mater.Chem.A,2015,3(5):2407～2413.)”，公开了几种喷墨打印的复合碳纳米管的柔性电极。但该文献公开的技术存在如下缺陷或不足：(1)纯碳纳米管的电导率不高，其通过与其他材料(例如银纳米颗粒和二氧化锰)复合制备的高性能的电极，成本高，周期长；(2)目前制备碳纳米管的方法主要是化学气相沉积法，造价高，很难批量合成，并且碳纳米管在喷墨打印的过程中容易团聚，阻塞喷头。基于现有技术存在的上述缺陷，特提出本申请。
技术实现思路
针对现有技术以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法及其在MXene柔性电极中的应用，其目的在于通过制备MXene墨水、喷墨打印MXene柔性电极和真空烘干柔性电极，从而解决目前柔性电极成本高、制作工艺复杂等问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1：分别称取TiH2、Al以及C粉末，按比例混合并置于球磨机中球磨，然后将球磨后的粉料转移至坩埚中，在真空管式炉中于惰性气氛保护条件下烧结，得到Ti3AlC2MAX前驱体；S2：将步骤S1得到的Ti3AlC2前驱体研磨，过400目筛，即得MAX相粉末；然后利用氟化锂(LiF)与盐酸(HCl)组成的刻蚀液对所述MAX相粉末进行化学刻蚀反应后，将刻蚀液反复离心、洗涤，再在低温、惰性气氛保护下进行超声处理，得到MXene材料(即Ti3C2纳米片)；S3：将步骤S2得到的MXene材料进行低速离心，所得上层液体即为Ti3C2MXene墨水。进一步地，上述技术方案步骤S1中所述TiH2、Al以及C粉末的质量比为3：1.1：2，烧结工艺为：以10℃/min的升温速率将温度从室温升至1400℃，保温2h。进一步地，上述技术方案步骤S2所述的盐酸的浓度为9mol/L，MAX相粉末与氟化锂的摩尔比为1：1。进一步地，上述技术方案步骤S2所述的超声处理时间为1～2h。进一步地，上述技术方案步骤S3所述的低速离心具体工艺为：升降速率为1～5，转速为3500～4000r/min，离心时间为30min～1h。进一步地，上述技术方案步骤S3中所述MXene墨水中溶质Ti3C2纳米片平均直径为100～500nm。进一步地，上述技术方案步骤S3中所述MXene墨水的pH值为6～7。进一步地，上述技术方案步骤S1、S2中所述的惰性气氛优选为氩气气氛。本专利技术的另一方面在于提供上述方法制得的MXene墨水的应用，可用于制备MXene柔性电极。上述所述的MXene柔性电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将MXene墨水稀释，使稀释后的MXene墨水的浓度为3～8.5mg/ml；(2)将步骤(1)所述稀释后的墨水注入墨盒中，打印已设计图案的MXene柔性电极；(3)将步骤(2)打印出的MXene电极进行真空干燥，即得到MXene柔性电极。进一步地，上述技术方案步骤(2)中用于打印的基底为普通A4纸。进一步地，上述技术方案步骤(3)所述真空干燥的具体工艺为：干燥温度为30～40℃，真空度为0.1pa。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术的技术方案中，比起传统的柔性电极制备工艺更加简单，成本低，有望规模生产。采用喷墨打印还可以打印任意图形的柔性电极，相比于光刻来说更加环保，此外喷墨打印的MXene柔性电极的电导率，薄膜的厚度，均匀性是可控的，在印刷电路领域中有着远大的优势。(2)本专利技术的技术方案中，首先制备前驱体MAX相材料，MAX相的制备采用高温固相法，将TiH2、Al以及C粉末按比例混合均匀后，高温烧结制备Ti3AlC2MAX相前驱体，然后研磨后过400目筛子即制得MAX粉末。然后使用LiF和HCl的混合溶液刻蚀上述MAX相粉末，然后进行低温超声、低速离心制备Ti3C2MXene墨水。由于MXene的亲水性较好，所以其在水溶液中的分散性非常好，无需添加其他的分散剂，具备用于喷墨打印墨水的优良特性。(3)MXene作为一种新型的二维材料，具有比表面积大、水溶性好、导电性好(电导率达6700S/cm)等优点，非常适合做电化学电极材料。附图说明图1为本专利技术实施例1中基于喷墨打印的MXene墨水制备MXene柔性电极的工艺流程图；图2中(a)、(b)分别为本专利技术实施例2制得的MXene墨水(胶体溶液)的丁达尔效应图；MXene纳米片抽滤成膜实物图；(c)、(d)为本专利技术实施例2制得的MXene纳米片的TEM图；图3(a)、(b)、(c)分别为本专利技术实施例2制得的MXene柔性电极的SEM形貌图；MXene电极SEM截面图；MXene电极的实物图；图4为将本专利技术实施例2制得的MXene柔性电极所组装的超级电容器的循环稳定性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1为本专利技术实施例1中基于喷墨打印的MXene墨水制备MXene柔性电极的工艺流程图。如图1所示，该工艺包括如下步骤：(1)制备前驱体Ti3AlC2MAX相粉末；(2)刻蚀MAX相，进行离心清洗和低温超声制备MXene纳米片；(3)离心分离制备的MXene墨水；(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：分别称取TiH2、Al以及C粉末，按比例混合并置于球磨机中球磨，然后将球磨后的粉料转移至坩埚中，在真空管式炉中于惰性气氛保护条件下烧结，得到Ti3AlC2MAX前驱体；S2：将步骤S1得到的Ti3AlC2前驱体研磨，过400目筛，即得MAX相粉末；然后利用氟化锂与盐酸组成的刻蚀液对所述MAX相粉末进行化学刻蚀反应后，将刻蚀液反复离心、洗涤，再在低温、惰性气氛保护下进行超声处理，得到MXene材料；S3：将步骤S2得到的MXene材料进行低速离心，所得上层液体即为Ti3C2MXene墨水。

【技术特征摘要】
1.一种基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：分别称取TiH2、Al以及C粉末，按比例混合并置于球磨机中球磨，然后将球磨后的粉料转移至坩埚中，在真空管式炉中于惰性气氛保护条件下烧结，得到Ti3AlC2MAX前驱体；S2：将步骤S1得到的Ti3AlC2前驱体研磨，过400目筛，即得MAX相粉末；然后利用氟化锂与盐酸组成的刻蚀液对所述MAX相粉末进行化学刻蚀反应后，将刻蚀液反复离心、洗涤，再在低温、惰性气氛保护下进行超声处理，得到MXene材料；S3：将步骤S2得到的MXene材料进行低速离心，所得上层液体即为Ti3C2MXene墨水。2.根据权利要求1所述的基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述TiH2、Al以及C粉末的质量比为3：1.1：2，烧结工艺为：以10℃/min的升温速率将温度从室温升至1400℃，保温2h。3.根据权利要求1所述的基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的盐酸的浓度为9mol/L，MAX相粉末与氟化锂的摩尔比为1：1。4.根据权利要求1所述的基于喷墨打印的MXene墨水的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的超声处理时间为1～2h。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马亚楠，罗时军，张传坤，刘伟之，姚帅，
申请(专利权)人：湖北汽车工业学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42