源自废弃棉手套的分级活性炭纤维：超级电容器高性能电极

摘要

利用生物质衍生纳米碳制超级电容器的最大障碍之一是活化过程中内在结构损失。本研究引入一类新型活性炭纤维（ACF），以废弃棉手套（CG）为前驱体。CG主要由纤维素组成，经热解和KOH活化后自然保留纤维形貌，产出具有三维互联框架和高度分级孔隙系统的材料。所得CG衍生活性炭纤维（CGACF）展现卓越BET比表面积1,435 m² g⁻¹，以1.3 nm微孔和2.7 nm介孔为主，并保留原始纤维骨架。该结构同时最小化电解质和电子扩散阻力，最大化储荷容量。因此，CGACF在0.1 A g⁻¹下实现218 F g⁻¹比电容，在极高电流密度20 A g⁻¹下仍保持88%电容，超越商业活性炭（AC）。

背景

多孔碳材料（PCMs）已成为现代超级电容器基石，提供高功率密度、快速充放电循环和长期稳定性。其性能内在取决于纳米结构：明确定义的微孔和介孔促进高效电双层形成，而介孔和大孔助力快速离子传输。常规高性能PCMs如碳纳米球、纳米管和纳米棒需多步合成和危险氧化剂，限制规模化。

生物质衍生活性多孔碳材料（APCMs）因低成本和简易加工仍是最具商业可行性选择。然而，许多APCMs——源自椰壳、木材、烟蒂、茶叶或鱼鳞——常因介/大孔不足和结构继承性差，导致高倍率下比表面积利用率降低。选择本身具备纤维互联架构且能经活化保持不坍塌的前驱体至关重要。

本文利用普遍存在的纺织废弃物废棉手套作为前驱体。其纤维素纤维可直接转化为碳并经精心活化保留形貌，产出具有优越分级孔隙网络和坚固导电骨架的CGACF。

实验

CGACF制备

CGACF经KOH辅助活化路线合成。棉手套纤维切碎至毫米级，N₂下500°C预碳化3 h，与KOH混合（KOH/PCCG=1.5 wt%），N₂下900°C（5°C min⁻¹，3 h）碳化。产物反复用HCl和去离子水洗至中性pH，80°C干燥12 h。对照组非活化CGCF同法制备但无KOH。商业AC（Kuraray）作基准。

结构表征

X射线衍射（D/MAX 2200 VPC）和拉曼光谱（Renishaw inVia 2000）确认无序碳结构和CGACF缺陷密度增加。形貌和纳米结构经SEM（JSM-6330F）和TEM（JEOL JEM-2010）检查。77 K氮气吸附-解吸等温线（Micrometrics ASAP 2460）提供BET比表面积和孔径分布（t-plot、BJH和DFT分析）。

电化学测量

电化学性能在1 M H₂SO₄中用对称双电极电池评估。工作电极含活性物质、炭黑、PVDF（8:1:1 wt%）压制于Ti箔（10 MPa），120°C干燥12 h。恒流充放电（GCD）用Neware CT2001A在0.1至20 A g⁻¹测试。循环伏安（CV）200 mV s⁻¹和电化学阻抗谱（EIS）（5 mV，0.001-100 kHz）在IM6ex工作站记录。比电容（C_g）按放电曲线标准公式计算。

结果与讨论

CGCF和CGACF XRD图谱（图2a）显示23.5°和44°（2θ）宽峰，指示无序石墨（002）和（100）晶面。CGACF峰强度减弱反映KOH活化引入大量孔隙。拉曼光谱（图2b）显示CGACF更高I_D/I_G比，确认缺陷密度增加关联增强孔隙率。

SEM和TEM图像（图3）显示原始CG呈~3 µm光滑纤维。预碳化后纤维直径收缩至~2 µm保持光滑。KOH活化保留纤维骨架同时创造粗糙三维互联表面，承载丰富微孔和介孔（图3c-d）。TEM确认CGACF表面大量纳米孔，商业AC显示大块无孔碳块（图3f）。

N₂吸附-解吸等温线（图4a）显示CGACF低P/P₀处吸附量显著更高，反映微孔增加。中等P/P₀滞回环确认小介孔存在。DFT孔径分布（图4b）显示1.3 nm（微孔）和2.7 nm（介孔）峰值，与TEM观察一致。对比商业AC以微孔为主比表面积1,282 m² g⁻¹。

电化学评估确认CGACF优势结构。200 mV s⁻¹ CV曲线CGACF呈近矩形，AC显示畸变（图5a），指示更优离子可及性。EIS奈奎斯特图（图5b）揭示CGACF更低串联电阻（0.42 Ω vs 1.03 Ω）和电荷转移电阻（0.94 Ω vs 2.90 Ω），凸显高效电解质/电子传输。

GCD测试（图6）显示CGACF在0.1 A g⁻¹达218 F g⁻¹，超越AC（175 F g⁻¹）。即使在极端20 A g⁻¹电流密度，CGACF保持88%电容（192 F g⁻¹），而AC降至70%。

单位面积电容（C_S）指示比表面积利用率。低电流密度下CGACF和AC显示相似C_S（~13-15 µF cm⁻²），但20 A g⁻¹时CGACF维持C_S>13 µF cm⁻²，AC降至9 µF cm⁻²。1 A g⁻¹下5,000次循环稳定性测试显示CGACF电容保持率96.3%（图7）。

总之，CGACF卓越性能源于两大协同特性：(1)分级微/介孔网络提供1,435 m² g⁻¹比表面积，(2)坚固纤维状骨架配合三维互联表面促进快速离子/电子传输，尤其在高倍率下。

结论

我们成功从废棉手套制备具有分级纳米结构的新型活性炭纤维。CG衍生ACF保留原始纤维形貌，实现1,435 m² g⁻¹比表面积（1.3 nm微孔和2.7 nm介孔主导）和导电三维框架。结果CGACF在0.1 A g⁻¹达218 F g⁻¹比电容，在20 A g⁻¹保持88%该值，超越商业AC。此外，1 A g⁻¹下5,000次循环后保持96.3%电容。本工作证明废棉手套是高性能生物质衍生超级电容器电极可行、低成本前驱体。