【研究背景】透明導(dǎo)電電極（Transparent conductive electrodes，TCE）在現(xiàn)代電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，例如觸摸屏、透明傳感器、透明天線和透明超級(jí)電容器等。單層Ti3C2Tx納米片在可見(jiàn)光區(qū)的透光率約為97%，具有金屬導(dǎo)電性和親水性，能穩(wěn)定分散在水介質(zhì)中，因此可通過(guò)溶液加工法制備MXene TCE，在透明電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。然而，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電且高透明的MXene基透明電極仍具有很大的挑戰(zhàn)，主要受限于（1）使用的Ti3C2Tx納米片尺寸較小，固有電導(dǎo)率低；（2）透明薄膜結(jié)構(gòu)疏松且表面粗糙度大；導(dǎo)致薄膜的在高透光率下的電阻呈指數(shù)增長(zhǎng)（即滲流問(wèn)題）。理想的透明電極要求在高透光率下具有較低的電阻，這就意味著TCE應(yīng)具有連續(xù)的導(dǎo)電通路、較少的晶界和致密的微結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)載流子在薄膜內(nèi)快速的遷移進(jìn)而提高固有電導(dǎo)率，避免滲流問(wèn)題。因此，合成單層/少層、橫向尺寸大且分布窄的Ti3C2Tx納米片和制備高度取向，結(jié)構(gòu)致密的透明導(dǎo)電薄膜具有重要意義。? ? ? ? ?
【工作介紹】近日，西交周迪教授、瑞士聯(lián)邦材料所Jakob Heier博士與川大張傳芳教授合作，報(bào)道了一種Ti3C2Tx?MXene水性墨水制備的透明導(dǎo)電電極，在透明焦耳加熱器和超級(jí)電容器領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。該成果發(fā)表在國(guó)際期刊ACS Nano上，題目為Rational Design of MXene Inks for Conductive, Transparent Films。郭鐵柱為本文第一作者。
在這項(xiàng)研究中，研究者通過(guò)不斷優(yōu)化MXene的制備工藝，經(jīng)刻蝕-剝離-梯度離心三步法研發(fā)了一種高單層比，大尺寸且粒徑分布窄的MXene分散液，其平均尺寸為12.2 μm，最大尺寸可達(dá)30 μm的高質(zhì)量Ti3C2Tx納米片，其分散液中幾乎不含有橫向尺寸為納米級(jí)的Ti3C2Tx碎片。通過(guò)剪切力誘導(dǎo)納米片取向排列實(shí)現(xiàn)了TCE具有高度致密的微結(jié)構(gòu)，該薄膜擁有良好的機(jī)械彎曲性能。此外，由大尺寸納米片組裝的薄膜與小尺寸相比，納米片間的晶界數(shù)量大量減少；在給定厚度下前者具有更高的電導(dǎo)率，其TCE最大電導(dǎo)率可達(dá)~20000 S/cm，同時(shí)在高透光率下無(wú)明顯滲流問(wèn)題，避免了電阻呈指數(shù)增大。相比之下，傳統(tǒng)方法制備的尺寸為1 μm的Ti3C2Tx納米片組裝的TCE電導(dǎo)率僅有~3400?S/cm，且在T>80%區(qū)域出現(xiàn)明顯的滲流問(wèn)題。研究人員還展示了Ti3C2Tx?TCE在透明焦耳加熱器和超級(jí)電容器領(lǐng)域分別具有優(yōu)異的焦耳加熱效應(yīng)和高倍率性能，表明其在透明電子器件研發(fā)方面的巨大潛力。? ? ? ? ?
【研究?jī)?nèi)容】

圖1. 高導(dǎo)電透明薄膜的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用

圖2. MXene納米片的表征. (a)MAX相. (b) MAX相尺寸分布. (c, d) MXene納米片和尺寸分布. (e, f) AFM和TEM.? ? ? ??

圖3. 透明導(dǎo)電薄膜的表征. (a) TvsC. (b) 實(shí)物圖. (c) SEM. (d, e) XRD. (f) GISAXS. (g) 取向度. (h) Raman. (i) XPS.

圖4. 透明導(dǎo)電電極的光電性能. (a) UV-vis. (b)?TvsRs. (c)?T-0.5-1?vsRs. (d, e, f) AFM (T=94%). (g)?σDC/σop對(duì)比. (h)?TvsRs對(duì)比. (i) FOM?vs尺寸.

圖5.?透明導(dǎo)電電極的性能. (a)?T-0.5-1?vst. (b)?Rsvst. (c) 平均電導(dǎo)率對(duì)比. (d) 透明薄膜的彎曲性能. (e) 透明薄膜的環(huán)境穩(wěn)定性.? ? ??

圖6.?透明焦耳加熱器的性能. (a) 溫度?vs?時(shí)間. (b) 電流?vs?時(shí)間. (c) 紅外熱輻射實(shí)物圖. (d) 不同方阻下的溫度?vs?時(shí)間. (e) 反復(fù)開(kāi)關(guān)測(cè)試. (f) 耐循環(huán)測(cè)試.? ??

圖7.?透明超級(jí)電容器的性能. (a) CV (T=80%). (b) CV比較. (c) 不同掃速下的電容量. (d) 時(shí)間常數(shù). (e) GCD (T=80%). (f) 不同電流密度下的電容量. (g) 面積電容量比較. (g) Ragone圖. (i) 循環(huán)性能.