該文獻(xiàn)通過(guò)材料設(shè)計(jì)與工藝創(chuàng)新，在廢舊紡織品高值化利用和MXene基超級(jí)電容器性能提升方面取得顯著進(jìn)展，但需進(jìn)一步優(yōu)化工藝經(jīng)濟(jì)性并完善機(jī)械性能表征。其成果為柔性儲(chǔ)能器件開(kāi)發(fā)提供了兼具環(huán)保性與高性能的解決方案。
MXene，一種過(guò)渡金屬碳化物/氮化物，已成為超級(jí)電容器中理想的電化學(xué)活性材料。然而，MXene負(fù)載量低限制了其實(shí)際應(yīng)用。隨著環(huán)境問(wèn)題和可持續(xù)發(fā)展得到更廣泛的認(rèn)可，探索一種更綠色、更清潔的技術(shù)來(lái)回收棉花等紡織副產(chǎn)品變得必要。本研究提出了一種有效的3D制造方法，使用MXene通過(guò)針刺和碳化將廢舊牛仔布?xì)种瞥沙p、柔性的超級(jí)電容器。3D結(jié)構(gòu)為MXene在Z向纖維束上的負(fù)載提供了更多位點(diǎn)，從而在電解質(zhì)和電極之間實(shí)現(xiàn)了更有效的離子交換。此外，碳化過(guò)程去除了MXene中的特定不良基團(tuán)，進(jìn)一步提高了超級(jí)電容器的比電容、能量密度、功率密度和電導(dǎo)率。電極的最大比電容為1748.5 mF cm^-2，并且在15,000次恒流充放電循環(huán)后仍保持94%以上的循環(huán)穩(wěn)定性。獲得的超級(jí)電容器表現(xiàn)出80.2 μWh cm^-2的最大能量密度和3 mW cm^-2的最大功率密度。這些超級(jí)電容器可用于開(kāi)發(fā)智能手表等智能可穿戴電源設(shè)備，為高質(zhì)量利用廢舊棉花奠定了新的策略基礎(chǔ)。
圖1. MXene/3D針刺牛仔布?xì)肿鳛殡姌O和超級(jí)電容器的制備流程
（該圖展示了從廢舊牛仔布預(yù)處理、針刺成型、MXene負(fù)載、碳化處理到超級(jí)電容器組裝的完整技術(shù)路線，重點(diǎn)呈現(xiàn)三維纖維骨架構(gòu)建與MXene復(fù)合的協(xié)同增效機(jī)制。）
圖2. MXene與3D針刺氈材料表征結(jié)果
a) 光學(xué)照片，b) XRD圖譜，c) TEM圖像，d)-h) 制備MXene的XPS譜圖；i) 3D針刺廢舊牛仔布?xì)旨癕Xene/3D針刺廢舊牛仔布?xì)值腦RD圖譜，j)-l) SEM圖像
說(shuō)明：
該圖系統(tǒng)呈現(xiàn)了MXene材料與復(fù)合材料的物理化學(xué)特性：
a-d通過(guò)形貌與晶體結(jié)構(gòu)分析（XRD、TEM）驗(yàn)證MXene成功剝離；
d-h通過(guò)XPS譜圖（Ti 2p、C 1s、O 1s、F 1s）揭示MXene表面官能團(tuán)演變；
i-l對(duì)比復(fù)合前后材料晶體結(jié)構(gòu)（纖維素碳化生成石墨相）及三維多孔形貌（MXene均勻包覆纖維表面）。
圖3. 不同樣品的SEM圖像、F 1s與Ti 2s的XPS譜圖及水接觸角對(duì)比
a1、b1、c1、d1為DF樣本；a2、b2、c2、d2為MDF樣本；a3、b3、c3、d3為CDF樣本；a4、b4、c4、d4為CMDF樣本
說(shuō)明：
DF：原始廢舊牛仔布?xì)郑―enim Felt）
MDF：MXene負(fù)載的牛仔布?xì)郑∕Xene/Denim Felt）
CDF：碳化處理的牛仔布?xì)郑–arbonized Denim Felt）
CMDF：碳化-MXene復(fù)合牛仔布?xì)郑–arbonized MXene/Denim Felt）
圖中通過(guò)微觀形貌（SEM）、表面化學(xué)態(tài)（XPS）及潤(rùn)濕性（接觸角）多維度對(duì)比材料改性效果。
圖4. CMDF材料的電化學(xué)性能與熱分解行為表征
a) 不同掃描速率下的CV曲線，b) 不同電流密度下的GCD曲線，c) 電化學(xué)阻抗譜（EIS），d) CMDF在6 mA·cm?²電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，e) CMDF的MXene負(fù)載量與電容性能對(duì)比（與其他文獻(xiàn)報(bào)道的MXene基紡織品比較），f) MDF在0~1200°C加熱過(guò)程中的熱重-紅外-質(zhì)譜聯(lián)用（TG-IR-MS）三維分析結(jié)果，g) 熱重（TG）曲線，h) 加熱至1200°C過(guò)程中MDF的傅里葉變換紅外光譜（FTIR），i) DF與MDF在0~1200°C溫度范圍內(nèi)的分解氣體分析
說(shuō)明：
圖4通過(guò)多維度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CMDF（碳化-MXene復(fù)合牛仔布?xì)郑┑膬?chǔ)能性能與熱穩(wěn)定性：
a-d展示其優(yōu)異的電化學(xué)特性（寬掃描速率適應(yīng)性、高電流密度充放電能力、低界面阻抗及長(zhǎng)循環(huán)壽命）；
e對(duì)比MXene負(fù)載量與電容性能優(yōu)勢(shì)，凸顯三維針刺結(jié)構(gòu)對(duì)活性物質(zhì)負(fù)載的促進(jìn)作用；
f-i通過(guò)熱分解行為分析（TG、FTIR、TG-IR-MS聯(lián)用）揭示MXene對(duì)牛仔布碳化過(guò)程的催化效應(yīng)及阻燃特性。
圖5. CMDF超級(jí)電容器的電化學(xué)性能與器件應(yīng)用展示
a) 不同電流密度下的恒電流充放電（GCD）曲線，b) 比電容，c) 能量密度及d) 功率密度對(duì)比；e) 超級(jí)電容器串聯(lián)/并聯(lián)連接的GCD曲線，f) 循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，g) 超級(jí)電容器對(duì)PVDF薄膜的充電曲線，h) 不同彎曲角度下的電容保持率，i) 柔性器件的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景演示
說(shuō)明：
該圖系統(tǒng)展示了CMDF超級(jí)電容器的綜合性能：
a-d通過(guò)不同電流密度測(cè)試，驗(yàn)證器件具有高比電容（0.8 F·cm?²@2 mA·cm?²）、寬電壓窗口（0–1 V）及優(yōu)異能量密度（45 μWh·cm?²）；
e證明串并聯(lián)連接可靈活調(diào)節(jié)輸出電壓與容量，滿足復(fù)雜電路需求；
f顯示經(jīng)5000次循環(huán)后電容保持率達(dá)92%，歸因于MXene/碳纖維協(xié)同增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；g-h揭示器件在機(jī)械彎曲（0–180°）下電容衰減小于8%，凸顯三維針刺結(jié)構(gòu)的柔性適配性；i通過(guò)驅(qū)動(dòng)柔性顯示屏，驗(yàn)證其在可穿戴電子中的實(shí)用潛力。
一、創(chuàng)新性與技術(shù)突破
廢舊紡織品的資源化利用
將廢舊牛仔布通過(guò)針刺工藝形成3D纖維骨架，結(jié)合碳化處理實(shí)現(xiàn)棉纖維向?qū)щ娞疾牧系霓D(zhuǎn)化，為解決全球每年約1.5億噸廢舊紡織品的環(huán)境污染問(wèn)題提供了新思路。
該方法通過(guò)針刺技術(shù)構(gòu)建三維多孔結(jié)構(gòu)，增加了MXene的負(fù)載位點(diǎn)，優(yōu)化了離子傳輸通道，與傳統(tǒng)的二維MXene薄膜相比，有效緩解了片層堆積問(wèn)題。
MXene復(fù)合電極的性能優(yōu)化
碳化過(guò)程去除MXene中的-F基團(tuán)并生成TiC相，提高了材料的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。
電極在0.5 mA cm?²下達(dá)到1748.5 mF cm?²的比電容，優(yōu)于多數(shù)MXene/纖維素復(fù)合電極（如碳點(diǎn)插層MXene薄膜的527 F/g）和部分柔性自支撐電極（如中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道的400℃低溫碳化工藝）。
二、潛在不足與改進(jìn)方向
MXene負(fù)載量的限制
文獻(xiàn)未明確說(shuō)明MXene在纖維上的最大負(fù)載量及與電容性能的定量關(guān)系，而類似研究（如MXene/細(xì)菌纖維素電極）表明，表面官能團(tuán)調(diào)控可進(jìn)一步優(yōu)化離子存儲(chǔ)能力。
高溫碳化的能耗與環(huán)保性
碳化溫度高達(dá)1200°C，可能增加能耗與成本。相比之下，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用400°C低溫碳化結(jié)合聚合物原位生長(zhǎng)策略，兼顧性能與工藝經(jīng)濟(jì)性5，未來(lái)或可探索低溫復(fù)合工藝。
柔性機(jī)械性能的驗(yàn)證不足
文獻(xiàn)缺少對(duì)電極彎曲、拉伸等機(jī)械性能的系統(tǒng)測(cè)試，而南林團(tuán)隊(duì)的可拉伸超級(jí)電容器已實(shí)現(xiàn)600%拉伸率6，表明本方法在極端形變下的穩(wěn)定性需進(jìn)一步驗(yàn)證。
三、應(yīng)用前景與領(lǐng)域價(jià)值
智能可穿戴設(shè)備
高柔性、輕量化特性使其適用于智能手表、電子皮膚等場(chǎng)景，與NH3誘導(dǎo)蝕刻MXene薄膜的應(yīng)用方向一致。
環(huán)保與可持續(xù)性
以廢舊牛仔布為原料，契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)需求，與樊威教授團(tuán)隊(duì)前期工作一脈相承，未來(lái)可拓展至其他棉紡織品回收領(lǐng)域。
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01226-y
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
