Hiërarchische geactiveerde koolstofvezels van afgedankte katoen handschoenen: high-performance elektroden voor supercondensatoren

Samenvatting

Een van de meest significante hinderpalen bij het benutten van biomassa-geafgeleide nanokoolstoffen voor supercondensatoren is het verlies van intrinsieke structuur tijdens activering. In deze studie introduceren we een nieuwe klasse geactiveerde koolstofvezels (ACFs) door afgedankte katoen handschoenen (CG) als precursor te gebruiken. CG, grotendeels samengesteld uit cellulose, behoudt zijn vezelmorfologie natuurlijk bij pyrolyse en KOH-activering, wat een materiaal oplevert met een 3-dimensioneel geïntegreerd raamwerk en een hoog-hiërarchisch poresysteem. De resulterende CG-geafgeleide ACF (CGACF) vertoont een uitzonderlijke BET-oppervlakte van 1.435 m² g⁻¹, gedomineerd door 1,3-nm microporiën en 2,7-nm mesoporiën, en behoudt het originele vezelskelet. Deze structuur minimaliseert tegelijkertijd elektrolyt- en elektrondiffusieweerstand terwijl de laadopslagcapaciteit maximaliseerd wordt. Gevolgelijk levert CGACF een specifieke capaciteit van 218 F g⁻¹ bij 0,1 A g⁻¹ en behoudt 88% van zijn capaciteit bij een opmerkelijk hoge stroomdichtheid van 20 A g⁻¹, wat commerciële geactiveerde koolstof (AC) overtreft.

Achtergrond

Porieuze koolstofmaterialen (PCMs) zijn de hoeksteen geworden van moderne supercondensatoren, aangezien ze hoge energiedichtheid, snelle oplaad-ontlaadcycli, en lange-termijnstabiliteit bieden. Hun prestaties zijn echter intrinsiek verbonden met nanostuctuur: goed-gedefinieerde micro- en mesoporiën maken efficiënte elektrische-dubbele-laag vorming mogelijk, terwijl meso- en macroporiën snelle iontransport faciliteren. Conventionele high-performance PCMs zoals koolstof-nanospheren, nanotuben, en nanoroden vereisen multi-staps synthesen en gevaarlijke oxidanten, wat schaalbaarheid beperkt.

Biomassa-geafgeleide geactiveerde PCMs (APCMs) blijven de meest commercieel haalbare optie vanwege lage kosten en eenvoudige verwerking. Toch lijden veel APCMs — afgeleid van kokosnotenschillen, hout, sigarettenfilters, theebladeren, of vischaaltjes — vaak onder ontoereikende meso/macroporositeit en slechte structurele erfelijkheid, wat leidt tot verminderde oppervlaktebenutting bij hoge snelheden. Het selecteren van een precursor die inherent een vezelachtige, geïntegreerde architectuur bezit en activering kan weerstaan zonder instorting, is daarom cruciaal.

Hier benutten we afgedankte katoen handschoenen, een alomtegenwoordige textielafvalstroom, als precursor. Hun cellulosevezels kunnen direct geconverteerd worden tot koolstof terwijl morfologie bewaard blijft door zorgvuldige activering, wat CGACF oplevert met een superieure hiërarchische porenetwerk en robuust geleidend skelet.

Experimenteel

Bereiding van CGACF

CGACF werd gesynthetiseerd via een KOH-geassisteerde activeringsroute. Katoen handschoenvezels werden geknipt tot millimeter-schaal, pre-gecarboniseerd bij 500 °C gedurende 3 u onder N₂, vervolgens gemengd met KOH (KOH/PCCG = 1,5 wt%) en gecarboniseerd bij 900 °C (5 °C min⁻¹, 3 u, N₂). Het product werd herhaaldelijk gewassen met HCl en gedemineraliseerd water tot neutrale pH, daarna gedroogd bij 80 °C gedurende 12 u. Een niet-geactiveerde controle (CGCF) werd identiek bereid zonder KOH. Commerciële AC (Kuraray) werd gebruikt als benchmark.

Structuurkarakterisatie

Röntgen-diffractie (D/MAX 2200 VPC) en Raman-spectroscopie (Renishaw inVia 2000) bevestigden de turbostratische koolstofstructuur en verhoogde defectdichtheid in CGACF. Morfologie en nanostuctuur werden onderzocht door SEM (JSM-6330F) en TEM (JEOL JEM-2010). Stikstof-adsorptie-desorptie-isothermen bij 77 K (Micrometrics ASAP 2460) leverden BET-oppervlaktes en poriegrootteverdelingen via t-plot, BJH, en DFT-analyses.

Electrochemische metingen

Electrochemische prestaties werden geëvalueerd in 1 M H₂SO₄ met behulp van een symmetrische twee-elektrode cel. De werkelektrode bestond uit actief materiaal, koolstofzwart, en PVDF (8:1:1 wt%) geperst op Ti-foil (10 MPa) en gedroogd bij 120 °C gedurende 12 u. Galvanostatische oplaad-ontlaad (GCD) testen werden uitgevoerd van 0,1 tot 20 A g⁻¹ met een Neware CT2001A. Cyclische voltammetrie (CV) bij 200 mV s⁻¹ en electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) (5 mV, 0,001–100 kHz) werden opgenomen op een IM6ex werkstation. Specifieke capaciteit (C_g) werd berekend uit ontladingscurves met de standaardformule.

Resultaten en Discussies

XRD-patronen van CGCF en CGACF (Fig. 2a) tonen brede pieken bij 23,5° en 44° (2θ), wskazujące op (002) en (100) vlakken van turbostratisch grafiet. De verminderde piekintensiteit in CGACF weerspiegelt de uitgebreide porositeit geïntroduceerd door KOH-activering. Raman-spectra (Fig. 2b) tonen een hogere I_D/I_G verhouding voor CGACF, wat de verhoogde defectdichtheid bevestigt die correleert met verbeterde porositeit.

SEM en TEM-afbeeldingen (Fig. 3) onthullen dat rauwe CG ~3 µm vezels met gladde oppervlakken vertoont. Na pre-carbonisatie krimpen vezeldiameters tot ~2 µm, met behoud van gladheid. KOH-activering behoudt het vezelskelet terwijl een ruw, 3-D geïntegreerd oppervlak gecreëerd wordt dat veelvuldig micro- en mesoporiën gastvrij (Fig. 3c-d). TEM bevestigt talloze oppervlaktenanoporiën in CGACF, terwijl commerciële AC grote, niet-porieuze koolstofblokken toont (Fig. 3f).

N₂-adsorptie-desorptie-isothermen (Fig. 4a) tonen aan dat CGACF een aanzienlijk hogere opname heeft bij lage P/P₀, wat verhoogde microporositeit weerspiegelt. Een hysterese-lus bij intermediaire P/P₀ bevestigt de aanwezigheid van kleine mesoporiën. DFT poriegrootteverdeling (Fig. 4b) toont pieken bij 1,3 nm (microporiën) en 2,7 nm (mesoporiën), in lijn met TEM-waarnemingen. In tegenstelling, toont commerciële AC een voornamelijk microporeuze oppervlakte van 1.282 m² g⁻¹.

Electrochemische evaluatie bevestigt de voordelige structuur van CGACF. CV-curves bij 200 mV s⁻¹ vertonen een nabij-rechthoekige vorm voor CGACF, terwijl AC vervorming vertoont (Fig. 5a), wat superieure iontoegankelijkheid aangeeft. EIS Nyquist-plots (Fig. 5b) onthullen een lagere serieweerstand (0,42 Ω vs. 1,03 Ω) en laadoverdrachtsweerstand (0,94 Ω vs. 2,90 Ω) voor CGACF, wat efficiënte elektrolyt/elektrontransport onderstreept.

GCD-tests (Fig. 6) tonen aan dat CGACF 218 F g⁻¹ bereikt bij 0,1 A g⁻¹, wat AC (175 F g⁻¹) overtreft. Zelfs bij een extreme stroomdichtheid van 20 A g⁻¹ behoudt CGACF 88% van zijn capaciteit (192 F g⁻¹), terwijl AC daalt tot 70%.

Capaciteit per oppervlakte (C_S) fungeert als indicator voor oppervlaktebenutting. Zowel CGACF als AC tonen vergelijkbare C_S (~13–15 µF cm⁻²) bij lage stroomdichtheid, maar CGACF behoudt hogere C_S (>13 µF cm⁻²) bij 20 A g⁻¹, terwijl AC daalt tot 9 µF cm⁻². Cyclusstabiliteitstesten over 5.000 cycli bij 1 A g⁻¹ onthullen 96,3% capaciteitsretentie voor CGACF (Fig. 7).

Samenvattend, CGACF's uitzonderlijke prestaties voortvloeien uit twee synergistische kenmerken: (1) een hiërarchische micro-/mesoporeus netwerk dat een oppervlakte van 1.435 m² g⁻¹ levert, en (2) een robuust, vezelachtig skelet met 3-D geïntegreerde oppervlakken die snelle ion/elektrontransport faciliteren, met name bij hoge snelheden.

Conclusies

We hebben met succes een nieuwe klasse geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostuctuur geproduceerd uit afgedankte katoen handschoenen. De CG-geafgeleide ACF behoudt de oorspronkelijke vezelmorfologie, bereikt een oppervlakte van 1.435 m² g⁻¹ samengesteld uit 1,3-nm microporiën en 2,7-nm mesoporiën, en een geleidend 3-D raamwerk. Als resultaat levert CGACF een specifieke capaciteit van 218 F g⁻¹ bij 0,1 A g⁻¹ en behoudt 88% van deze waarde bij 20 A g⁻¹, wat commerciële AC overtreft. Bovendien behoudt het 96,3% capaciteit na 5.000 cycli bij 1 A g⁻¹. Dit werk toont aan dat afgedankte katoen handschoenen een haalbare, laag-kost precursor zijn voor high-performance, biomassa-geafgeleide supercondensatorelektroden.