近日，南京林業(yè)大學生物質(zhì)納米流體及3D打印課題組在材料領域國際頂級學術期刊Advanced Functional Materials（中文譯名《先進功能材料》，影響因子18.808）發(fā)表了題為 “3D Printed Ti3C2Tx MXene/Cellulose Nanofiber Architectures for Solid-State Supercapacitors: Ink Rheology, 3D Printability and Electrochemical Performance”的研究論文。博士生周國強為論文第一作者，李美春教授、梅長彤教授為共同通訊作者，南京林業(yè)大學為第一完成單位。該成果得到了江蘇特聘教授科研啟動經(jīng)費、江蘇省自然科學基金、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金、南京林業(yè)大學標志性成果培育項目等資助。

直接墨水書寫式3D打印技術可將二維MXene納米片按需定制成復雜的三維結(jié)構(gòu)，然而大多數(shù)MXene墨水的流變性能較差，不能滿足3D打印的需求，且干燥后的MXene納米片容易發(fā)生自堆疊現(xiàn)象，不利于離子傳輸和擴散，進而影響3D打印器件的電化學性能。

針對上述問題，李美春教授、梅長彤教授研究團隊制備了一系列不同形貌和表面電荷密度的木質(zhì)纖維素納米纖維(CNF)，用于改善MXene墨水的流變性能以及抑制MXene納米片的自堆疊，并結(jié)合3D打印和冷凍干燥技術，成功定制了一系列具有高形狀保真度和幾何精度的3D多孔架構(gòu)，構(gòu)建了具備優(yōu)異電化學性能的固態(tài)插式電容器。研究發(fā)現(xiàn)，一維CNF與二維MXene之間通過氫鍵形成了凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而使復合墨水具有高屈服應力和動態(tài)粘彈性、獨特的剪切變稀行為和優(yōu)異的觸變性，賦予了復合墨水優(yōu)異的3D可打印性。同時，3D打印電極內(nèi)部具有多層級孔結(jié)構(gòu)，提高了表面積可及性，降低了MXene片層的堆疊，并為離子傳輸和擴散提供了有效的途徑，使3D打印固態(tài)插式電容器具備出色的電化學性能。該研究為納米纖維素的高值化利用及電化學儲能器件的個性化定制提供了新的思路。