不要的旧衣服怎么处理？不如“捐给”课题组做成超级电容器！

本文转自GZH：IAMSET

不要的旧衣服该如何处理呢？

有些人会选择直接丢弃，有些人选择捐赠，希望衣物得到循环利用。然而，即便如此，全世界每年产生的废旧纺织品仍高达约1.5亿吨，其中废旧棉纺织品占所总量的35-40%。这些废旧棉纺织品中大约有75~80%会使用焚烧和填埋的方式处理，导致大气、地表水和地下水严重污染。

西安工程大学樊威教授团队和南京林业大学葛省波副教授团队、河南农业大学彭万喜教授团队、英国诺桑比亚大学郭占虎教授团队合作，利用废旧牛仔织物（棉织物）为原料，通过碳化工艺，将棉纤维加工成3D棉纤维集合体负载MXene，制备出高性能超级电容器。既降低了废旧纺织品处理不当带来的环境污染和资源浪费，又增加了超级电容器的容量与使用寿命，可谓一石二鸟！

该成果在国际顶级期刊Nano-Micro Letters上(IF: 26.6)发表。第一作者兼通讯作者为西安工程大学樊威教授，共同通讯作者为南京林业大学葛省波副教授团队、河南农业大学彭万喜教授团队，主要合作者包括英国诺桑比亚大学郭占虎教授、徐斌教授，西安工程大学王琪博士、硕士研究生荣凯。

DOI:10.1007/s40820-023-01226-y

Nano-Micro Letters

《微纳米快报》

ISSN：2311-6706

eISSN：2150-5551

出版社：Springer

Indexing：SCIE

IF(2022)： 26.6

JCR分区：Q1

期刊简介

Nano-Micro Letters是由上海交通大学主办、Springer Nature出版的国际学术期刊，主要报道纳米或微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。

摘要

MXene 是一种过渡金属碳化物/氮化物，作为超级电容器的理想电化学活性材料一直备受瞩目。然而，MXene 的低负载限制了其实际应用。随着人们对环境问题和可持续发展的日益广泛认识，有必要探索一种更环保、更清洁的技术来回收利用棉花等纺织副产品。本研究提出了一种有效的三维制造方法，利用 MXene 通过针刺和碳化将废旧牛仔毡制造成超轻、柔韧的超级电容器。三维结构为在 Z 向纤维束上装载 MXene 提供了更多位置，从而提高了电解质与电极之间的离子交换效率。此外，碳化过程去除了 MXenes 中的特定不利基团，进一步提高了超级电容器的比电容、能量密度、功率密度和导电率。电极的最大比电容达到了 1748.5 mF cm-2，并在 15,000 次电静态充放电循环后保持了 94% 以上的循环稳定性。此外，所获得的超级电容器的最大比电容为 577.5 mF cm-2，能量密度为 80.2 μWh cm-2，功率密度为 3 mW cm-2。所得超级电容器可用于开发智能手表等智能可穿戴电源设备，为高质量利用废棉的新战略奠定了基础。

示意图

研究介绍

研究团队以废旧牛仔织物（棉织物）为原料，将其开松成废旧牛仔纤维，利用针刺工艺制备成高比表面积的废旧3D针刺牛仔纤维织物，同时将盐酸与氟化锂混合制备成蚀刻剂，蚀刻MAX（Ti3AlC2）得到MXene（Ti3C2Tx）。随后将MXene薄片浸渍在3D针刺牛仔纤维织物中并进行碳化，并研究了不同碳化温度与MXene负载量对MXene/3D针刺牛仔纤维复合材料超级电容器性能的影响规律与影响机制。

研究发现这种具有Z向纤维存在的3D结构的棉纤维集合体为MXene在面内和厚度方向提供了更多负载位点，而且碳化后棉纤维形成的3D导电网络，提高了电解质和电极之间的离子交换效率。此外，碳化工艺去除了MXenes中特定的不良基团，进一步提高超级电容器的比电容、能量密度、功率密度和电导率。本研究开发的超级电容器可满足一般智能可穿戴领域的小型器件对电能的需求，同时减少了环境污染和资源浪费。

MXene/3D针刺牛仔纤维织物复合电极和超级电容器的制备过程

结论

1、具有Z向纤维存在的3D结构的棉纤维集合体为MXene在面内和厚度方向提供了更多负载位点，而且碳化后棉纤维形成的3D导电网络，提高了电解质和电极之间的离子交换效率。

2、碳化工艺去除了MXene中抑制电化学性能的-F基团，提高碳化MXene/3D针刺牛仔纤维织物的电化学性能。所得柔性电极的最大比电容为1748.5mF·cm-2，并且在15000次恒流充电/放电循环后表现出显著的循环稳定性，超过94%。

3、由两块MXene溶液浓度为6 wt.%，碳化温度为1000℃制备的MXene/3D针刺牛仔纤维织物复合材料电极组装而成的对称式超级电容器拥有良好的电化学性能。该超级电容器在0.5 mA cm-2的电流密度下，比电容高达1003 mF·cm-2。经过15000次恒流充放电循环稳定性测试后，该超级电容器依旧拥有78%的电容保持率。本工作研发的超级电容器可满足一般智能可穿戴领域的小型器件的供电需求，同时减少了环境污染和资源浪费，为废旧纺织品高值化利用提供了一种新的策略。

作者信息

樊威，西安工程大学柔性电子与智能纺织研究院院长，教授，博导。“全国党建工作样板支部”书记，中国纺织青年科技奖、纺织科技成果转化贡献奖获得者、陕西省“千人计划”特聘专家，陕西高校青年创新团队带头人，陕西省“科学家+工程师”队伍任首席科学家，中国化纤协会杰出青年教师。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、中航装甲科技有限公司、安踏（中国）有限公司等纵横向项目30余项，发表SCI论文110余篇，其中ESI高被引论文8篇、热点论文1篇。主编专著、教材、译著各1部，主持获得陕西省科技进步二等奖1项，授权专利37件，成果转化8件。担任Advanced Composites and Hybrid Materials (IF:20.1)编委、Advanced Fiber Materials (IF:16.1)和《纺织学报》青年编委等社会兼职。

彭万喜，河南农业大学林学院副院长，二级教授，博士生导师，中原学者，享受国务院政府特殊津贴，国家“万人计划”领军人才，国家有突出贡献中青年专家，中国科协九大代表，中国青年科协委员。入选国家“万人计划”、国家百千万人才工程、科技部创新人才推进计划、教育部新世纪优秀人才支持计划等人才工程。获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国青年科技奖等25项。主持了国家自然科学基金、日本学术振兴会等20多项课题，发表SCI、EI、国家一级学报等期刊论文216篇，出版教材2部、专著6部；第一发明人授权国家发明专利49件，已转化20件。

葛省波，博士，南京林业大学副教授，国家青年托举人才。主持国家自然科学基金等10余项，发表SCI收录论文100余篇，授权中国/外国发明专利20余件，获互联网+大赛“全国金奖”、挑战杯竞赛“全国银奖”、中国木业科技进步“一等奖”等40余项奖励和荣誉。

郭占虎，现任英国诺森比亚大学机械系教授。郭教授长期致力于功能化聚合物纳米材料的制备及其在传感、光致发光和电子器件等领域的研究工作，多次获得美国国家科学基金会暑期学院奖学金，获得UCLA校长研究奖荣誉提名。

MXene Enhanced 3D Needled Waste Denim Felt for High-Performance Flexible Supercapacitors,Nano-Micro Letters 16, Article number: 36 (2024).