Các nhà nghiên cứu tại Đại học Boise State đã phát triển một công thức mực Ti3C2Tx MXene ổn định, hiệu suất cao được tối ưu hóa cho công nghệ in phun aerosol – mở đường cho việc sản xuất siêu tụ điện vi mô, cảm biến và các thiết bị lưu trữ và thu năng lượng khác ở quy mô lớn. Công trình này, được xuất bản trên Small Methods gần đây, đánh dấu một tiến bộ đáng kể trong việc sản xuất bồi đắp vật liệu hai chiều (2D) cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng.

MXene, một họ các carbide kim loại chuyển tiếp, nitride và carbonitride 2D, được đánh giá cao nhờ các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt. MXene đã nổi lên như vật liệu điện cực đầy hứa hẹn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng điện hóa do cấu trúc độc đáo của chúng, với lớp carbide kim loại chuyển tiếp dẫn điện bên trong, các nhóm chức năng ưa nước biến đổi và cấu trúc phiến.

Mặc dù nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong xử lý dung dịch vật liệu 2D, việc phát triển các loại mực chức năng phù hợp và có thể in được vẫn còn là thách thức và đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trước khi sử dụng trong chế tạo thiết bị điện tử. MXene có thể dễ dàng phân tán trong nước, nhưng các phân tán như vậy rất dễ bị oxy hóa và thường phân hủy trong vòng vài ngày ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, mỗi kỹ thuật in yêu cầu các đặc tính chất lỏng và lưu biến cụ thể.

Do đó, hiện còn thiếu các loại mực MXene ổn định, không chứa phụ gia, vừa có thời gian sử dụng lâu dài vừa có các đặc tính lưu biến và sấy khô cần thiết cho việc chế tạo thiết bị có độ phân giải cao và hiệu suất cao.

Nhóm nghiên cứu của Boise State đã vượt qua các thách thức chính bằng cách phát triển một loại mực MXene có độ ổn định hóa học và vật lý lâu dài, cho phép khả năng in phun aerosol nhất quán và đạt được các mẫu có độ phân giải cao với lượng phun quá mức tối thiểu. Sử dụng công thức này, nhóm đã chế tạo thành công các thiết bị siêu tụ điện quy mô vi mô trực tiếp trên các đế mềm và cứng như màng Kapton và ống alumina.

Các thiết bị in này không chỉ thể hiện điện dung, độ ổn định chu kỳ và độ bền cơ học tuyệt vời mà còn đạt được các siêu tụ điện MXene in hiệu suất cao nhất được báo cáo cho đến nay. Đột phá này làm nổi bật tiềm năng biến đổi của in phun aerosol với mực MXene cho việc sản xuất theo yêu cầu, có thể mở rộng và hiệu quả về chi phí các thiết bị điện tử và điện hóa thế hệ tiếp theo – bao gồm thiết bị đeo, cảm biến IoT và hệ thống năng lượng nhẹ.

Fereshteh Rajabi Kouchi, tác giả chính của nghiên cứu, tiến sĩ tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Micron cho biết: "Công thức mực của chúng tôi cho phép in chính xác các cấu trúc phức tạp và vẫn ổn định trong hơn 6 tháng. Tiến bộ này mở ra cánh cửa cho việc sản xuất bền vững, cuộn-cuộn các thiết bị năng lượng thu nhỏ".

Nhóm nghiên cứu đã trình diễn các thiết kế điện cực xen kẽ với độ phân giải cấp micron – có thể đạt được nhờ khả năng độc đáo của in phun aerosol trong việc tập trung các luồng vật liệu mịn.

Mực MXene được phát triển đạt được bản in độ phân giải cao (đường rộng ≈45 µm) với lượng phun quá mức tối thiểu. Siêu tụ điện MXene được in phun aerosol độ phân giải cao đạt điện dung trên diện tích 122 mF cm-2 và điện dung thể tích 611 F cm-3, do đó chúng được xếp vào nhóm các siêu tụ điện in hiệu suất cao nhất được báo cáo cho đến nay.

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng bắc cầu giữa mật độ công suất và mật độ năng lượng giữa tụ điện thông thường và pin - cung cấp công suất cao và chu kỳ sạc-xả nhanh. Thị trường siêu tụ điện đang mở rộng nhanh chóng, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) dự kiến là 15,3%, dự kiến đạt 8,3 tỷ USD vào năm 2034, do nhu cầu trong các lĩnh vực như ô tô, điện tử tiêu dùng và năng lượng tái tạo. Siêu tụ điện in đang thu hút sự chú ý nhờ thiết kế nhẹ, linh hoạt, cho phép tích hợp liền mạch vào thiết bị đeo và các ứng dụng điện tử mới nổi.

"Công trình của Fereshteh phản ánh một bước tiến lớn trong việc bắc cầu giữa hóa học vật liệu và chế tạo thiết bị có thể mở rộng. Bằng cách giải quyết cả công thức mực và tích hợp quy trình, nhóm của chúng tôi đã đặt nền móng cho các ứng dụng công nghiệp của lưu trữ năng lượng dựa trên MXene", giáo sư David Estrada, tác giả cấp cao của nghiên cứu nói.

P.T.T (NASTIS), https://phys.org/news//, 6/2025