南京林业大学：3D打印氮掺杂厚碳架构，用于超级电容器

来源: 材料分析与应用

3D打印技术为具有高负载密度的定制厚电极设计提供了巨大的机会，以提高有限空间中的面积容量。然而，在配制具有优异流变性能的3D可打印油墨以及促进厚体电极中的电子/离子传输方面，仍然存在关键挑战。本文，南京林业大学梅长彤教授、中国石油大学(华东)Mei-Chun Li在《Adv Sci》期刊发表名为“3D Printed Nitrogen-Doped Thick Carbon Architectures for Supercapacitor: Ink Rheology and Electrochemical Performance”的论文，研究由木质衍生纤维素纳米纤维（CNFs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）和尿素组成的混合油墨被配制用于3D打印氮掺杂的厚电极，其中CNFs充当MWCNTs的分散剂和增稠剂，而尿素充当掺杂剂。

通过系统地定制油墨的浓度依赖性流变性能和3D打印过程，成功地打印出具有高几何精度和卓越形状逼真度的各种凝胶结构。然后，在冷冻干燥和退火处理后，将印刷的凝胶结构转化为具有分级多孔结构和优异电化学性能的氮掺杂碳块。此外，通过3D打印技术结合氮掺杂策略获得的由两个叉指状碳块组装的准固态对称超级电容器在0.56 mW cm−2下提供了0.10 mWh cm−2的能量密度。这项工作为用于3D打印高性能厚碳电极的可打印墨水的配方提供了指导。

图1、示意图说明了凝胶墨水的制备，通过流变测量评估凝胶墨水的3D打印适性，通过3D打印，冷冻干燥和退火处理制备独立的，分层多孔的N掺杂碳结构，以及使用两个3D打印的N掺杂碳电极制造准固态对称超级电容器。

图2、CMU凝胶油墨的流变特性和3D打印适性

图3、3D打印，冷冻干燥和退火块的形态和化学结构

图4、3D打印碳块的电化学性能

图5、3D打印准固态对称超级电容器（QSSC）的电化学性能

小结
综上所述，通过研究CMU油墨的浓度依赖性流变性能，优化3D打印参数，成功开发了由CNF、MWCNTs和尿素组成的3D打印CMU墨水。这项工作为优化用于高性能超级电容器3D打印的油墨的可印刷性提供了详细的指导。

文献：

https://doi.org/10.1002/advs.202206320