浙江理工大学和南京大学Advanced:3D打印+新型纳米材料,这篇Science子刊级别的超级电容器,能量密度暴涨1.8倍!

可穿戴设备、智能交通信号灯、柔性电子...它们的“心脏”终于有了新突破

随着人工智能、新能源汽车和可穿戴电子设备的迅猛发展，人们对小型化、高性能电源的需求从未如此迫切。传统的电池和电容器，要么太笨重，要么容量太小，要么寿命太短，总是差了那么一口气。

但就在最近，一项发表在《Advanced Functional Materials》上的研究给我们带来了惊喜——来自浙江理工大学和南京大学的研究团队，成功开发出一种新型3D打印微型超级电容器，其能量密度和循环稳定性都达到了令人惊艳的水平。

01 超级电容器的“痛点”

超级电容器（Supercapacitor）作为一种新兴的储能器件，具有充放电速度快、循环寿命长、安全性高等优点。然而，传统的制造工艺（如刮涂法）难以实现高活性材料负载和微型化器件制造，导致能量密度偏低。

这就像一个大胃王，胃口很好（能快速充放电），但碗太小（能量密度低），吃一顿管不了太久。

为了解决这个问题，科学家们把目光投向了3D打印技术。通过3D打印，可以自由设计电极结构，大幅增加活性材料的负载量。但问题又来了：什么样的材料才适合3D打印？

02 一个“三合一”的聪明设计

研究团队给出的答案是一种全新的COF@MOF-Ti₃C₂Tₓ 异质结构材料。

这个名字听着很复杂，其实可以理解为“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”：

这三者通过化学键牢牢“捆绑”在一起，形成了层次化多孔结构——大孔让电解液快速渗透，介孔提供离子扩散高速路，微孔精确筛选离子。整一个离子版的“高速公路+城市快速路+小区道路”系统。

03 数据亮眼：比电容暴涨1.8倍

在3M KOH电解液中测试，COF@MOF-Ti₃C₂Tₓ电极的比电容达到了1078.0 F g⁻¹，而单纯的MOF-Ti₃C₂Tₓ只有605.2 F g⁻¹，提升了约1.8倍。

更厉害的是，它的电荷转移阻抗只有0.71 Ω，即使在10 A g⁻¹的高电流密度下，电压降也仅为72 mV——这说明电子和离子在里面跑得飞快，几乎没有“堵车”。

研究团队还进行了密度泛函理论（DFT）计算，发现COF@MOF-Ti₃C₂Tₓ的静电势差高达12.18 eV，大大促进了电子从Ti₃C₂Tₓ向COF/MOF的迁移。同时，Ni和Co位点对OH⁻离子的吸附能分别达到-4.07 eV和-3.17 eV，远高于纯Ti₃C₂Tₓ的-0.79 eV。

04 3D打印+冻干：结构决定性能

光有好材料还不够，怎么把它做成电极也是一门学问。

研究团队将活性材料（COF@MOF-Ti₃C₂Tₓ）、碳纳米管（CNT）和丙烯腈共聚物粘合剂（LA）混合，配制成具有剪切变稀特性的墨水。

• 剪切变稀：打印时受力变稀，顺利挤出；挤出后迅速恢复粘度，保持形状。

• 冻干处理：形成相互连通的 porous 框架，比表面积高达186.3 m² g⁻¹。

利用这种墨水，他们成功打印出了五角星、空心圆柱、空心四棱锥等多种复杂结构——这意味着该技术可以轻松定制任意形状的微型超级电容器。

05 器件表现：点亮交通灯、驱动闹钟

最终，研究团队组装了一种固态对称微型超级电容器（MSC），采用PVA/KOH凝胶电解质。

测试结果令人振奋：

更酷的是，两个器件串联后可以点亮一个智能交通信号灯和一个玩偶，还能驱动闹钟——即使在被弯曲的状态下也能正常工作。

在-20°C到50°C的宽温区内，器件的容量保持率从78%到112%，表现出了极强的环境适应性。

06 总结与展望

这项研究的核心创新可以概括为：

1. 材料创新：首次将COF、MOF和MXene三者化学键合，形成层次化多孔异质结构。

2. 工艺创新：3D打印+冻干处理，实现高负载（18.1 mg cm⁻²）和复杂形状定制。

3. 性能突破：比电容、能量密度、循环稳定性全面领先现有同类材料。

研究团队表示，这项工作为高性能、可定制的微型储能系统提供了全新的设计思路，特别适用于柔性电子、可穿戴设备和物联网传感器等领域。

当然，目前这还是一个实验室级别的突破。未来如果能在规模化制备、成本控制、长期可靠性等方面进一步优化，我们或许很快就能看到它走进我们的手机、手表，甚至植入式医疗设备中。

研究图文

参考文献：Xie, M., et al. *Engineering Nanoporous and Active Channels of Heterostructured COF@MOF-Ti₃C₂Tₓ Toward High-Performance 3D Printed Micro-Supercapacitors*. Advanced Functional Materials, 2026.