通过电液动力喷射印刷技术，使用本质上稳定的MXene墨水制备了具有极高电容值的微超级电容器

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》：Micro-supercapacitors of exceptionally high capacitance fabricated using intrinsically stable MXene inks via electrohydrodynamic jet printing

本研究开发了一种基于ADOPA功能化MXene和CMC的混合溶剂新型导电墨水，解决了MXene氧化敏感和分散性差的问题。通过优化EHD打印参数，实现了80微米精度的电极图案，构建的微超级电容器展现出2013 F/cm3的高比电容，为柔性电子器件提供了新思路。

　　
该研究聚焦于MXene纳米材料的改性及其在微超级电容器（MSC）上的高分辨率喷射印刷应用，通过系统优化材料表面化学和流体特性，突破了MXene基墨水在喷射印刷中的稳定性与分辨率瓶颈。研究团队以1微米MXene片为基准，通过引入ADOPA（3,4-二羟基-L-苯丙氨酸）功能化分子和CMC（羧甲基纤维素）复合溶剂体系，成功开发了具有卓越性能的MXene基墨水，并首次实现了80微米线宽的微超级电容器电极图案化。

在材料改性方面，ADOPA分子通过氢键和π-π电子作用与MXene表面羟基形成强效锚定，同时引入的CMC分子利用其羧基的静电排斥效应，双重作用显著提升了MXene的分散稳定性和抗氧化能力。实验显示，改性后的MXene（ADS-MXene）在乙醇-水混合溶剂中展现出长达3个月的稳定分散状态，其表面电荷密度（-32.1 mV）在三个月内波动幅度小于5%，远超传统MXene分散体系。

喷射印刷工艺的优化是研究的关键突破。通过控制溶剂蒸发速率与电场强度平衡，开发出适用于50微米内径喷嘴的高粘度（4×103 cP）墨水体系。该工艺在玻璃、硅、聚酰亚胺（PI）及聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等不同基材上均实现80微米线宽的精密图案化，较先前报道的320微米分辨率提升4倍。特别值得注意的是，喷射过程在室温下完成，避免了高温对柔性基底材料的损伤。

在微超级电容器性能方面，研究团队构建了具有15对电极单元的紧凑型芯片（1.3 cm×1.8 cm），其单位面积电容达402.7 mF/cm2，体积电容突破2013 F/cm3，刷新了MXene基MSC的纪录。通过电化学阻抗谱分析（图4f）证实电极材料展现出优异的离子传输动力学，高频区半圆弧对应的电解质电阻仅50 Ω，表明电极与电解质界面结合紧密。循环测试显示，在10,000次充放电循环后电容保持率超过95%，库仑效率稳定在96.5%以上，优于传统印刷工艺（如喷墨印刷的4.4 F/cm3）。

理论计算部分揭示了ADOPA与MXene的协同作用机制。密度泛函理论（DFT）模拟显示，ADOPA分子与MXene表面氧羟基的相互作用导致体系电荷转移密度（CDD）显著增强，这从原子层面解释了高导电性（8173 S/cm）与结构稳定性的提升。后续引入的CMC分子通过表面电荷调控（ζ电位-28 mV），形成稳定的双电层结构，有效抑制了MXene片层间的团聚。

该研究在工艺标准化方面取得重要进展，建立了MXene基墨水的可重复加工窗口：最优溶剂配比为乙醇:二乙二醇:乙二醇:去离子水=3:2:1:4（体积比），粘度控制在3000-5000 cP区间，表面张力0.25-0.3 N/m，电导率维持3400 S/cm以上。通过16喷嘴阵列喷射系统（图S28），每小时可完成超过200个MSC芯片的批量生产，为规模化应用奠定基础。

实际应用验证部分，研究团队将微超级电容器集成到太阳能供电的微型LED阵列中（图S19-20）。在模拟工作环境下，MSC可储存能量密度达100.7 mWh/cm3，功率密度81 W/cm3，支持持续1小时的LED照明。这种将能量存储与转换模块直接集成于柔性基底的设计，为可穿戴设备中的自供能系统提供了新思路。

技术对比分析显示（表S4），本研究的MSC在多个关键指标上实现跨越式提升：1）电容值较喷墨印刷（4.4 F/cm3）提升458倍；2）分辨率较真空过滤法（亚微米级）提升4倍；3）循环稳定性（>95%）优于电沉积法（85%）；4）能量密度（100.7 mWh/cm3）超越石墨烯基器件（23.5 mWh/cm3）。这些突破主要归功于三个创新点的协同作用：① ADOPA功能化实现表面化学-机械性能的平衡优化；② CMC-CMC/MXene-ADOPA的三重稳定机制；③ EHD喷射参数（电压0.7-0.9 kV，频率50 Hz）与墨水流变学的精确匹配。

在柔性电子应用方面，研究团队成功在PET和PI薄膜上实现了80微米线宽的图案化（图S23-26），经弯曲测试（1800次循环，3mm半径）后电容保持率仍达初始值的92%。这得益于CMC的增稠效应使墨水触变性优化（Brookfield粘度计显示触变指数＞15），在喷射过程中能快速恢复固态结构，避免溶剂挥发导致的流变失稳。

未来发展方向方面，研究提出三个延伸路径：1）开发多尺度MXene结构（片层厚度0.1-1 nm可调），通过电场调控实现纳米级电容提升；2）构建CMC/ADOPA梯度交联网络，进一步提升机械强度；3）拓展至三维打印，实现电极-电解质-封装的一体化成型。此外，团队已初步探索MXene基MSC在电磁屏蔽（反射率＞85%）和生物传感（检测限0.1 pM）中的应用潜力。

该研究标志着MXene基可印刷电子材料的重大进展，其核心价值在于建立了"材料改性-工艺优化-器件集成"三位一体的技术体系。通过表面功能化与流体力学特性的协同调控，不仅解决了MXene分散稳定性的难题，更开创了高分辨率微纳电子器件的喷射制造新范式。这些成果为柔性可穿戴设备、微型能量存储系统及物联网传感器的发展提供了关键材料支撑和技术路径。