該文獻通過材料設計與工藝創新，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展，但需進一步優化工藝經濟性并完善機械性能表征。其成果為柔性儲能器件開發提供了兼具環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活性材料。然而，MXene負載量低限制了其實際應用。隨著環境問題和可持續發展得到更廣泛的認可，探索一種更綠色、更清潔的技術來回收棉花等紡織副產品變得必要。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氈制成超輕、柔性的超級電容器。3D結構為MXene在Z向纖維束上的負載提供了更多位點，從而在電解質和電極之間實現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，進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次恒流充放電循環后仍保持94%以上的循環穩定性。獲得的超級電容器表現出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智能手表等智能可穿戴電源設備，為高質量利用廢舊棉花奠定了新的策略基礎。
圖1. MXene/3D針刺牛仔布氈作為電極和超級電容器的制備流程
（該圖展示了從廢舊牛仔布預處理、針刺成型、MXene負載、碳化處理到超級電容器組裝的完整技術路線，重點呈現三維纖維骨架構建與MXene復合的協同增效機制。）
圖2. MXene與3D針刺氈材料表征結果
a) 光學照片，b) XRD圖譜，c) TEM圖像，d)-h) 制備MXene的XPS譜圖；i) 3D針刺廢舊牛仔布氈及MXene/3D針刺廢舊牛仔布氈的XRD圖譜，j)-l) SEM圖像
說明：
該圖系統呈現了MXene材料與復合材料的物理化學特性：
a-d通過形貌與晶體結構分析（XRD、TEM）驗證MXene成功剝離；
d-h通過XPS譜圖（Ti 2p、C 1s、O 1s、F 1s）揭示MXene表面官能團演變；
i-l對比復合前后材料晶體結構（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：原始廢舊牛仔布氈（Denim Felt）
MDF：MXene負載的牛仔布氈（MXene/Denim Felt）
CDF：碳化處理的牛仔布氈（Carbonized Denim Felt）
CMDF：碳化-MXene復合牛仔布氈（Carbonized MXene/Denim Felt）
圖中通過微觀形貌（SEM）、表面化學態（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) 電化學阻抗譜（EIS），d) CMDF在6 mA·cm?²電流密度下的循環穩定性測試，e) CMDF的MXene負載量與電容性能對比（與其他文獻報道的MXene基紡織品比較），f) MDF在0~1200°C加熱過程中的熱重-紅外-質譜聯用（TG-IR-MS）三維分析結果，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溫度范圍內的分解氣體分析
說明：
圖4通過多維度實驗驗證CMDF（碳化-MXene復合牛仔布氈）的儲能性能與熱穩定性：
a-d展示其優異的電化學特性（寬掃描速率適應性、高電流密度充放電能力、低界面阻抗及長循環壽命）；
e對比MXene負載量與電容性能優勢，凸顯三維針刺結構對活性物質負載的促進作用；
f-i通過熱分解行為分析（TG、FTIR、TG-IR-MS聯用）揭示MXene對牛仔布碳化過程的催化效應及阻燃特性。
圖5. CMDF超級電容器的電化學性能與器件應用展示
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/并聯連接的GCD曲線，f) 循環穩定性測試，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) 柔性器件的實際應用場景演示
說明：
該圖系統展示了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）及優異能量密度（45 μWh·cm?²）；
e證明串并聯連接可靈活調節輸出電壓與容量，滿足復雜電路需求；
f顯示經5000次循環后電容保持率達92%，歸因于MXene/碳纖維協同增強的結構穩定性；g-h揭示器件在機械彎曲（0–180°）下電容衰減小于8%，凸顯三維針刺結構的柔性適配性；i通過驅動柔性顯示屏，驗證其在可穿戴電子中的實用潛力。
一、創新性與技術突破
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，結合碳化處理實現棉纖維向導電碳材料的轉化，為解決全球每年約1.5億噸廢舊紡織品的環境污染問題提供了新思路。
該方法通過針刺技術構建三維多孔結構，增加了MXene的負載位點，優化了離子傳輸通道，與傳統的二維MXene薄膜相比，有效緩解了片層堆積問題。
MXene復合電極的性能優化
碳化過程去除MXene中的-F基團并生成TiC相，提高了材料的導電性和化學穩定性。
電極在0.5 mA cm?²下達到1748.5 mF cm?²的比電容，優于多數MXene/纖維素復合電極（如碳點插層MXene薄膜的527 F/g）和部分柔性自支撐電極（如中山大學團隊報道的400℃低溫碳化工藝）。
二、潛在不足與改進方向
MXene負載量的限制
文獻未明確說明MXene在纖維上的最大負載量及與電容性能的定量關系，而類似研究（如MXene/細菌纖維素電極）表明，表面官能團調控可進一步優化離子存儲能力。
高溫碳化的能耗與環保性
碳化溫度高達1200°C，可能增加能耗與成本。相比之下，中山大學團隊采用400°C低溫碳化結合聚合物原位生長策略，兼顧性能與工藝經濟性5，未來或可探索低溫復合工藝。
柔性機械性能的驗證不足
文獻缺少對電極彎曲、拉伸等機械性能的系統測試，而南林團隊的可拉伸超級電容器已實現600%拉伸率6，表明本方法在極端形變下的穩定性需進一步驗證。
三、應用前景與領域價值
智能可穿戴設備
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誘導蝕刻MXene薄膜的應用方向一致。
環保與可持續性
以廢舊牛仔布為原料，契合循環經濟需求，與樊威教授團隊前期工作一脈相承，未來可拓展至其他棉紡織品回收領域。
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01226-y
轉自《石墨烯研究》公眾號
