由废弃棉织物制成的富氧多孔碳负极，用于高性能锌离子电池

《Materials Today Communications》：Waste cotton fabrics-derived oxygen-rich porous carbon cathode for high-performance zinc-ion capacitors

废棉织物经预碳化及钾柠檬酸盐活化碳化后制备出具有氧掺杂的多级孔碳材料（WPC），其比表面积达1125.3 m2/g，氧含量15.3 at.%，显著提升锌离子吸附与传输动力学。基于WPC的锌离子电池在0.1 A/g电流密度下比电容368.9 F/g，能量密度129.3 Wh/kg，循环10,000次后容量保持率98.22%，且串联器件可驱动17个LED发光，验证其应用潜力。该工艺实现废棉资源化利用与高性能锌离子电池负极协同发展。

　　在当前全球加速向可再生能源转型的背景下，高能量密度与高功率密度的下一代储能系统的发展变得尤为关键。这些系统需要克服可再生能源发电的间歇性问题，为实现可持续的能源利用提供保障。在众多储能技术中，金属离子混合电容器因其结合了超级电容器的快速充放电能力和金属离子电池的高能量密度，逐渐成为一种有前景的解决方案。其中，锌离子电容器（ZICs）因其理论比容量高达823 mAh g?1、适当的氧化还原电位（相对于标准氢电极为?0.76 V）以及使用水性电解质等优势，展现出非常有竞争力的应用潜力。

然而，尽管锌离子电容器在理论性能上表现优异，其实际应用仍受到两大问题的制约：阴极材料的有限储能能力和锌阳极的界面不稳定性。阴极作为关键组成部分，必须具备高比表面积（SSA）、丰富的电化学活性位点以及优化的多孔结构，以实现高效的Zn2?吸附和扩散。然而，传统碳基材料如活性炭，往往由于其化学惰性表面和活性位点密度不足，难以满足这些要求。异原子掺杂已被证明能够通过调控碳材料的电子结构和表面化学性质，显著提升其对Zn2?的储存能力。例如，氮和磷掺杂可以增强Zn2?的化学吸附能力，并改善电荷传输动力学。但目前大多数研究集中在化学合成的前驱体，如金属有机框架（MOFs）或聚合物，这些方法通常涉及复杂的制备过程和较高的成本，限制了其大规模应用。因此，开发低成本、可持续的生物质衍生碳材料成为当前研究的重要方向。

近年来，废弃的棉织物因其天然的多级孔隙结构、可调的异原子含量以及可持续性，逐渐受到关注，成为碳材料的重要来源。此外，回收废弃棉织物有助于减少污染并实现资源循环利用。然而，在将这类生物质衍生碳材料应用于锌离子电容器阴极时，仍面临两个主要挑战。首先，在热解过程中，棉纤维的微结构往往会塌陷，导致比表面积和孔隙率的降低。其次，单一碳框架的化学惰性特性使得其活性位点数量有限，从而限制了电容器的容量和循环寿命。为了克服这些问题，原位活化与异原子掺杂的结合已被证明能够有效提升生物质衍生碳材料的孔隙率和表面活性。例如，Huang等人使用ZnCl?/KCl熔融盐体系，从废弃棉织物中制备了氮/磷共掺杂的活性炭，获得了比表面积为751 m2 g?1的材料。Deng等人则采用尿素-KOH共活化方法，制备了氮掺杂的多孔碳。然而，这些材料的比表面积、孔隙结构以及异原子掺杂水平仍有待进一步优化。因此，亟需一种新的活化-掺杂策略，以实现对废弃棉织物的高效处理，并将其用于高性能锌离子电容器阴极材料的开发。

本研究提出了一种创新的碳化-活化方法，利用废弃纯棉毛巾作为前驱体，通过预碳化和一步钾盐碳化/活化策略，成功制备了富含氧的多孔碳材料（WPC）。该方法在热解过程中，钾盐的模板作用与柠檬酸根离子的分解产物协同作用，诱导形成了高比表面积（1125.29 m2 g?1）、丰富的微孔结构（微孔比例为77.6%）以及优化的多孔体系。此外，通过预碳化处理，棉纤维中的碳纳米纤维与柠檬酸分解形成的碳纳米片相结合，形成了具有机械强度和高比表面积优势的多级结构。这种结构不仅提升了材料的物理性能，还优化了其化学性质，使得Zn2?的吸附和传输更加高效。

实验结果表明，采用WPC作为阴极的锌离子电容器表现出优异的电化学性能。在电流密度为0.1 A g?1时，其比电容可达368.9 F g?1；在功率密度为78.9 W kg?1时，其能量密度达到129.3 Wh kg?1。此外，该电容器在5 A g?1的电流密度下经过10,000次循环后，仍能保持98.2%的容量保持率。这一性能指标表明，WPC阴极材料不仅具备良好的循环稳定性，还具有较高的能量密度和功率密度，为锌离子电容器的实际应用提供了有力支持。

除了优异的电化学性能，本研究还通过实验验证了WPC阴极材料的实用潜力。两组串联的Zn//WPC器件能够点亮由17个发光二极管组成的“Zn”字样，并且这些发光二极管在并联状态下所需的额定电压仅为2 V。这一实验结果不仅展示了WPC材料在实际应用中的可行性，还进一步证明了其在锌离子电容器中的潜力。同时，该研究为废弃棉织物的高值化利用提供了一种新的方法，也为高性能锌离子电容器阴极材料的设计提供了理论和技术指导。

在制备过程中，我们首先对废弃棉毛巾进行了超声清洗，使用无水乙醇清洗20分钟，随后在鼓风干燥箱中进行干燥。接着，将干燥后的棉毛巾在氩气氛围下，以5 °C min?1的升温速率进行预碳化处理，温度控制在650 °C，持续时间为2小时。预碳化后的产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，然后在真空干燥箱中于80 °C下干燥12小时。最后，将获得的预碳化材料进行进一步的碳化处理，以形成最终的WPC材料。这一制备流程不仅操作简便，而且成本低廉，为大规模生产提供了可能。

从微观结构分析来看，WPC材料展现出独特的形貌和结构特征。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，原始棉纤维（WC）呈现出光滑的纤维状结构，而预碳化材料（PC）则显示出相互连接的纳米片结构。WPC材料则形成了由纳米片均匀锚定在纤维状骨架上的多级结构，这一结构在图2c和S1中有所体现。该结构不仅保留了纤维的机械强度，还充分发挥了纳米片的高比表面积优势。透射电子显微镜（TEM）图像进一步揭示了WPC材料的内部结构，显示出纳米片包裹在纤维表面的现象，表明其多级孔隙结构的形成具有良好的可控性。

在结构分析方面，WPC材料表现出显著的物理和化学特性。比表面积分析显示，其比表面积高达1125.3 m2 g?1，其中微孔比例超过70%。这表明WPC材料具有丰富的微孔结构，能够为Zn2?提供更多的吸附位点。此外，X射线光电子能谱（XPS）分析显示，WPC材料中含有丰富的含氧官能团，氧含量高达15.3 at.%。这些含氧官能团主要包括C=O和C–OH等，它们能够显著改变WPC材料的表面化学性质，使其对Zn2?具有更强的化学吸附能力。同时，这些官能团还能促进Zn2?在材料表面的传输，从而提升电容器的整体性能。

在电化学性能测试中，WPC材料表现出优异的比电容和能量密度。在0.1 A g?1的电流密度下，其比电容可达368.9 F g?1，这一数值远高于传统碳基材料的比电容水平。同时，在78.9 W kg?1的功率密度下，其能量密度达到129.3 Wh kg?1，表明WPC材料不仅具有高比电容，还具备良好的能量密度。此外，WPC材料在5 A g?1的电流密度下经过10,000次循环后，仍能保持98.2%的容量保持率，这一循环稳定性表明其在实际应用中具有良好的耐久性。

为了进一步验证WPC材料的性能，我们进行了实际应用测试。通过将两组Zn//WPC器件串联，并将它们并联连接到17个发光二极管组成的“Zn”字样上，实验结果显示，这些器件能够在额定电压为2 V的情况下点亮“Zn”字样。这一结果不仅证明了WPC材料在实际应用中的可行性，还表明其在锌离子电容器中的潜力。同时，这一测试也为WPC材料的进一步优化和应用提供了实验依据。

本研究提出的新方法不仅解决了传统碳基材料在锌离子电容器中的局限性，还为废弃棉织物的高值化利用提供了新的思路。通过预碳化和一步钾盐碳化/活化策略，我们成功制备了富含氧的多孔碳材料，这一材料不仅具备高比表面积和丰富的微孔结构，还含有丰富的含氧官能团，使其在电化学性能上表现出色。此外，该方法的操作流程简单，成本低廉，为大规模生产提供了可能。

在材料科学领域，生物质衍生碳材料因其来源广泛、成本低廉以及环境友好等优势，逐渐成为研究的热点。然而，如何在保持材料物理性能的同时，进一步提升其化学活性和电化学性能，仍是当前研究的重要课题。本研究通过引入钾盐作为活化剂和掺杂剂，成功提升了WPC材料的比表面积和表面活性，使其在锌离子电容器中表现出优异的性能。这一成果不仅为锌离子电容器的开发提供了新的材料选择，还为生物质衍生碳材料的结构调控提供了新的思路。

此外，本研究还强调了资源循环利用的重要性。随着全球对可持续发展的重视，如何将废弃材料转化为高附加值的产品，成为当前研究的重要方向。废弃棉织物作为一种常见的废弃物，其回收利用不仅有助于减少环境污染，还能实现资源的高效利用。本研究通过创新的制备方法，将废弃棉织物转化为高性能的阴极材料，为资源循环利用提供了新的可能。

从材料设计的角度来看，WPC材料的多级孔隙结构和丰富的含氧官能团，使其在锌离子电容器中具有良好的电化学性能。这一结构不仅能够提升Zn2?的吸附和传输能力，还能增强电容器的循环稳定性。同时，WPC材料的制备方法也具备良好的可扩展性，为未来的大规模生产提供了可能。

综上所述，本研究提出了一种创新的碳化-活化方法，成功制备了富含氧的多孔碳材料，为锌离子电容器的阴极材料设计提供了新的思路。该材料不仅具备高比表面积和丰富的微孔结构，还含有丰富的含氧官能团，使其在电化学性能上表现出色。此外，该材料在实际应用中表现出良好的循环稳定性和能量密度，为资源循环利用和高性能储能系统的发展提供了重要支持。