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西安工程大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、諾森比亞大學(xué)、太原科技大學(xué)、納吉蘭大學(xué)--MXene增強(qiáng)的3D針刺廢舊牛仔布?xì)钟糜诟咝阅苋嵝猿夒娙萜?
      該文獻(xiàn)通過材料設(shè)計與工藝創(chuàng)新,在廢舊紡織品高值化利用和MXene基超級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。其成果為柔性儲能器件開發(fā)提供了兼具環(huán)保性與高性能的解決方案。
       MXene,一種過渡金屬碳化物/氮化物,已成為超級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通過針刺和碳化將廢舊牛仔布?xì)种瞥沙p、柔性的超級電容器。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,碳化過程去除了MXene中的特定不良基團(tuán),進(jìn)一步提高了超級電容器的比電容、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。這些超級電容器可用于開發(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)
圖中通過微觀形貌(SEM)、表面化學(xué)態(tài)(XPS)及潤濕性(接觸角)多維度對比材料改性效果。
 
 
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)定性測試,e) CMDF的MXene負(fù)載量與電容性能對比(與其他文獻(xiàn)報道的MXene基紡織品比較),f) MDF在0~1200°C加熱過程中的熱重-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
說明:
圖4通過多維度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CMDF(碳化-MXene復(fù)合牛仔布?xì)郑┑膬δ苄阅芘c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、低界面阻抗及長循環(huán)壽命);
e對比MXene負(fù)載量與電容性能優(yōu)勢,凸顯三維針刺結(jié)構(gòu)對活性物質(zhì)負(fù)載的促進(jìn)作用;
f-i通過熱分解行為分析(TG、FTIR、TG-IR-MS聯(lián)用)揭示MXene對牛仔布碳化過程的催化效應(yīng)及阻燃特性。
 
 
圖5. CMDF超級電容器的電化學(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) 功率密度對比;e) 超級電容器串聯(lián)/并聯(lián)連接的GCD曲線,f) 循環(huán)穩(wěn)定性測試,g) 超級電容器對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)用場景演示
說明:
該圖系統(tǒng)展示了CMDF超級電容器的綜合性能:
a-d通過不同電流密度測試,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通過驅(qū)動柔性顯示屏,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)境污染問題提供了新思路。
該方法通過針刺技術(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題。
MXene復(fù)合電極的性能優(yōu)化
碳化過程去除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)隊報道的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)隊采用400°C低溫碳化結(jié)合聚合物原位生長策略,兼顧性能與工藝經(jīng)濟(jì)性5,未來或可探索低溫復(fù)合工藝。
柔性機(jī)械性能的驗(yàn)證不足
文獻(xiàn)缺少對電極彎曲、拉伸等機(jī)械性能的系統(tǒng)測試,而南林團(tuán)隊的可拉伸超級電容器已實(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。

、應(yīng)用前景與領(lǐng)域價值

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)隊前期工作一脈相承,未來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
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