随着柔性电子技术的日益发展，便携式可穿戴电子产品对轻薄、灵活特性的储能及传感设备的需求不断增加。近期，化学与材料学院张一洲教授所领衔的生物与柔性电子研究团队在3D打印材料开发及多功能器件构筑领域取得了多项重要研究进展，在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Small、Journal of Materials Chemistry A、FlexMat、Nanoscale等高质量学术期刊发表一系列研究成果。
[成果1] “Ethanol-Induced Ni2+-Intercalated Cobalt Organic Frameworks on Vanadium Pentoxide for Synergistically Enhancing the Performance of 3D-Printed Micro-Supercapacitors”（Advanced Materials, 2023, 2211523. https://doi.org/10.1002/adma.202211523, 影响因子29.4）
为突破传统合成方法的限制，以形成具有高效电子转移和高韧性可打印特性的MOF复合材料，团队通过利用不同金属离子的配位能力，实现了金属离子交换，从而在表面生成了空间分离的活性位点。利用 Ni2+的d8电子构型与ZIF-67的三维（3D）结构之间的不相容性，通过控制Ni掺杂量可控合成了空心NiCoMOF@CoOOH@V2O5纳米复合材料。镍离子的引入可以有效促进电子的扩散，使其表面发生快速的动态氧化还原反应，从而有效提高电化学性能。此外，基于这种MOF复合材料与MXene水凝胶，通过3D打印构筑了高性能微型超级电容器。
[成果2] “Co3O4 Quantum Dots Intercalation Liquid-Crystal Ordered-Layered-Structure Optimizing the Performance of 3D-Printing Micro-Supercapacitors”（Advanced Science, 2023, 202305550. https://doi.org/10.1002/adfm.202305550, 影响因子15.1）
利用具有液晶特性的墨水在电极内部构建了层状结构，并通过控制Co3O4量子点的数量来优化层状电极的孔隙结构和氧化活性位点。Co3O4量子点分布在电极表面的孔隙中，Co3O4量子点的插入可以有效地弥补表面或近表面机制的局限性，从而有效地改善了3D打印微型超级电容器的赝电容特性。3D打印的微型超级电容器具有较高的面积电容和能量密度。本工作为下一代高性能3D打印能源材料和器件的开发、性能的优化和提升提供了新的研究思路。
[成果3] “3D Printing of MXene-Enhanced Ferroelectric Polymer for Ultrastable Zinc Anodes”（Advanced Functional Materials, 2023, 202305550. https://doi.org/10.1002/adfm.202305550, 影响因子19）
采用3D打印的方法构建了高β相含量的MXene基聚偏氟乙烯保护层(PVDF- MXene)。3D打印过程与MXene纳米片的协同作用使PVDF聚合物链由α相转变为β相，提高了打印PVDF薄膜的铁电性能，从而控制锌离子的浓度分布，使锌离子均匀沉积。因此，使用这种负极（PVDF-MXene-Zn）的锌对称电池表现出可逆的锌沉积/剥离，具有1.0 mA cm- 2的低电压滞后，1.0 mAh cm– 2稳定循环超过4200小时，以及高达10 mA cm- 2的高倍率容量。当与MnO2和活性炭组装后，锌-二氧化锰全电池和锌离子电容器的循环稳定性显著增强。
[成果4] “MXene decorated 3D-printed carbon black-based electrodes for solid-state micro-supercapacitors”（Journal of Materials Chemistry A, 2023, 11, 25422-25428. https://doi.org/10.1039/D3TA04573K, 影响因子11.9）
提出以热塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）作为基体，炭黑（CB）作为导电填料，获得一种经济高效、简单且易于制备的柔性导电复合材料。结合熔融挤出式（FDM）3D打印，开发出具有多孔结构的可定制化（圆形和叉指形）电极。通过MXene修饰协同提升了3D打印电极（MXene@PTC-12 h）的整体性能。基于3D打印电极的微型超级电容器在0.1 mA cm−2的电流密度下提供20.8 mF cm−2的比电容和稳定的循环寿命，在10000次循环使用后电容保持率为95%，鉴于FDM 3D打印的低成本和普适性，该方法所开发的导电线材和器件构筑方法具有重要的产业转化前景。
[成果5] “3D Printing of Hydrogels for Flexible Micro-Supercapacitors”（FlexMat, 2024, https://doi.org/10.1002/flm2.14）
本课题组对3D打印水凝胶在柔性微型超级电容器中的应用进行了深入研究。探讨了如何开发具备优化物理化学性质的水凝胶，着重介绍了在开发具有刺激响应、自愈合能力以及高度可拉伸性的水凝胶方面所取得的重要进展。此外，系统介绍了应用3D打印技术的一些引人注目的实例，突出了水凝胶的多功能性，包括可定制的结构、导电纳米结构以及三维框架。这些研究不仅为下一代能量存储设备的发展指明了方向，更为整个能源科技领域注入了新的活力与希望。该成果在国际期刊FlexMat上作为首期文章发表。
[成果6] “Direct ink writing 3D printing of low-dimensional nanomaterials for micro-supercapacitors”（Nanoscale, 2024, 影响因子6.8）
该工作深入探讨了直写式（DIW）3D打印低维纳米材料在微型超级电容器领域的最新进展和创新。总结了低维纳米材料的独特优势，从0D纳米粒子结构的量子效应特性，到1D纳米线结构的快速电子和离子传输，以及2D纳米片的高表面积和柔韧性。还讨论了在3D打印过程中面临的挑战，如材料粘度、印刷分辨率以及活性材料与电流收集器的无缝集成。该工作阐明了低维纳米材料和3D打印技术的协同作用不仅克服了现有的技术限制，还为开发和生产高性能的微型超级电容器开辟了新途径。
[成果7] “3D Printed MXene-Based Wire Strain Sensors with Enhanced Sensitivity and Anisotropy”（Small, 2024, 202401565. https://doi.org/10.1002/smll.202401565, 影响因子13.3）
利用3D打印技术，提出了一种制备具有可调微观和宏观结构的MXene基柔性传感器的新方法。通过将聚四氟乙烯（PTFE）作为致孔剂添加到3D打印墨水中，实现微观结构的可控调节。还实现了宏观结构的定制化设计，结合有限元模拟，获得具有高灵敏度和各向异性传感能力的3D打印柔性传感器，能够适用于跟踪静态和动态的位移变化，并实现了在气象应用中对风力风向的监测，为柔性应变传感器的标准化大规模生产提供了一种高效且经济可行的解决方案。
