3D打印MXene基0D/2D异质结构非对称超级电容器：Cu-Ni-O-FPs/MXene与α-Fe-O-FPs/MXene电极的界面耦合与性能突破

为解决传统超级电容器能量密度低和电极材料界面电阻大的问题，研究人员通过直接墨水书写（DIW）技术构建了0D/2D Cu-Ni-O-FPs/MXene（阴极）与α-Fe-O-FPs/MXene（阳极）异质结构。该非对称超级电容器（ASC）在1.5 V电压窗口下实现69.25 Wh kg?1的能量密度和10,000次循环后90.86%的容量保持率，为高能量存储器件设计提供了新范式。

　　

随着可再生能源和电动汽车的快速发展，高效储能系统成为全球研究热点。超级电容器因其快速充放电和长循环寿命备受关注，但能量密度低制约其广泛应用。传统电极材料如碳基材料（如活性炭AC）或金属氧化物（如NiO、CuO）存在导电性差或体积膨胀等问题。MXene（Ti₃C₂T_x）作为新兴二维材料，具有超高导电性（80,000 S cm^?1）和可调表面化学性质，但其与活性材料的界面耦合效率仍有待提升。

为突破这一瓶颈，Asrar Alam团队在《Results in Engineering》发表研究，提出通过原位生长和3D打印技术构建0D/2D异质结构电极。研究采用水热-退火两步法合成Cu-Ni-O-FPs/MXene（阴极）和α-Fe-O-FPs/MXene（阳极），通过DIW技术精确控制电极结构。关键实验技术包括：X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料晶体结构和化学状态；场发射扫描电镜（FE-SEM）和透射电镜（TEM）表征微观形貌；电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安（CV）测试评估电极动力学性能。

材料与结构设计

通过水热法在MXene表面生长Cu-Ni层状双氢氧化物（LDHs），经退火转化为0D Cu-Ni-O-FPs（粒径29.48 nm），形成多孔异质结构（比表面积278 m² g^?1）。XPS证实Cu²⁺/Cu⁺和Ni²⁺/Ni³⁺多价态共存，增强氧化还原活性。

电化学性能

阴极Cu-Ni-O-FPs/MXene在1 mA cm^?2下实现1.23 mA h cm^?2的面容量，80 mA cm^?2时保持75.6%的倍率性能。阳极α-Fe-O-FPs/MXene（粒径68.92 nm）通过Fe²⁺/Fe³⁺氧化贡献0.69 mA h cm^?2的面容量。EIS显示异质结构显著降低电荷转移电阻（R_ct < 0.69 Ω）。

器件集成与性能

DIW打印的ASC器件在1.5 V电压窗口下实现69.25 Wh kg^?1的能量密度（功率密度380.1 W kg^?1），并在10,010.85 W kg^?1超高功率下保持49.22 Wh kg^?1的能量输出。泄漏电流测试和自放电曲线证实器件稳定性。

结论与意义

该研究开创性地将0D赝电容纳米颗粒与2D MXene通过强界面耦合结合，解决了传统电极材料导电性差和界面电阻高的问题。DIW打印技术为定制化储能器件设计提供了新思路，其性能优于多数报道的MXene基ASC（如MXene/MoSe₂和MXene/PANI体系）。未来可通过优化墨水流变学特性和扩大打印规模推动产业化应用。