该文献通过材料设计与工艺创新，在废旧纺织品高值化利用和MXene基超级电容器性能提升方面取得显著进展，但需进一步优化工艺经济性并完善机械性能表征。其成果为柔性储能器件开发提供了兼具环保性与高性能的解决方案。
       MXene，一种过渡金属碳化物/氮化物，已成为超级电容器中理想的电化学活性材料。然而，MXene负载量低限制了其实际应用。随着环境问题和可持续发展得到更广泛的认可，探索一种更绿色、更清洁的技术来回收棉花等纺织副产品变得必要。本研究提出了一种有效的3D制造方法，使用MXene通过针刺和碳化将废旧牛仔布毡制成超轻、柔性的超级电容器。3D结构为MXene在Z向纤维束上的负载提供了更多位点，从而在电解质和电极之间实现了更有效的离子交换。此外，碳化过程去除了MXene中的特定不良基团，进一步提高了超级电容器的比电容、能量密度、功率密度和电导率。电极的最大比电容为1748.5 mF cm^-2，并且在15,000次恒流充放电循环后仍保持94%以上的循环稳定性。获得的超级电容器表现出80.2 μWh cm^-2的最大能量密度和3 mW cm^-2的最大功率密度。这些超级电容器可用于开发智能手表等智能可穿戴电源设备，为高质量利用废旧棉花奠定了新的策略基础。

 
图1. MXene/3D针刺牛仔布毡作为电极和超级电容器的制备流程‌
（该图展示了从废旧牛仔布预处理、针刺成型、MXene负载、碳化处理到超级电容器组装的完整技术路线，重点呈现三维纤维骨架构建与MXene复合的协同增效机制。）
 
 
图2. MXene与3D针刺毡材料表征结果‌
a) 光学照片，b) XRD图谱，c) TEM图像，d)-h) 制备MXene的XPS谱图；i) 3D针刺废旧牛仔布毡及MXene/3D针刺废旧牛仔布毡的XRD图谱，j)-l) SEM图像
说明：‌
该图系统呈现了MXene材料与复合材料的物理化学特性：
a-d通过形貌与晶体结构分析（XRD、TEM）验证MXene成功剥离；
d-h通过XPS谱图（Ti 2p、C 1s、O 1s、F 1s）揭示MXene表面官能团演变；
i-l对比复合前后材料晶体结构（纤维素碳化生成石墨相）及三维多孔形貌（MXene均匀包覆纤维表面）。
 
 
图3. 不同样品的SEM图像、F 1s与Ti 2s的XPS谱图及水接触角对比‌
a1、b1、c1、d1为DF样本；a2、b2、c2、d2为MDF样本；a3、b3、c3、d3为CDF样本；a4、b4、c4、d4为CMDF样本
说明：
DF：原始废旧牛仔布毡（Denim Felt）
MDF：MXene负载的牛仔布毡（MXene/Denim Felt）
CDF：碳化处理的牛仔布毡（Carbonized Denim Felt）
CMDF：碳化-MXene复合牛仔布毡（Carbonized MXene/Denim Felt）
图中通过微观形貌（SEM）、表面化学态（XPS）及润湿性（接触角）多维度对比材料改性效果。
 
 
图4. CMDF材料的电化学性能与热分解行为表征‌
a) 不同扫描速率下的CV曲线，b) 不同电流密度下的GCD曲线，c) 电化学阻抗谱（EIS），d) CMDF在6 mA·cm⁻²电流密度下的循环稳定性测试，e) CMDF的MXene负载量与电容性能对比（与其他文献报道的MXene基纺织品比较），f) MDF在0~1200°C加热过程中的热重-红外-质谱联用（TG-IR-MS）三维分析结果，g) 热重（TG）曲线，h) 加热至1200°C过程中MDF的傅里叶变换红外光谱（FTIR），i) DF与MDF在0~1200°C温度范围内的分解气体分析
‌说明：
图4通过多维度实验验证CMDF（碳化-MXene复合牛仔布毡）的储能性能与热稳定性：
a-d展示其优异的电化学特性（宽扫描速率适应性、高电流密度充放电能力、低界面阻抗及长循环寿命）；
e对比MXene负载量与电容性能优势，凸显三维针刺结构对活性物质负载的促进作用；
f-i通过热分解行为分析（TG、FTIR、TG-IR-MS联用）揭示MXene对牛仔布碳化过程的催化效应及阻燃特性。
 
 
图5. CMDF超级电容器的电化学性能与器件应用展示‌
a) 不同电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线，b) 比电容，c) 能量密度及d) 功率密度对比；e) 超级电容器串联/并联连接的GCD曲线，f) 循环稳定性测试，g) 超级电容器对PVDF薄膜的充电曲线，h) 不同弯曲角度下的电容保持率，i) 柔性器件的实际应用场景演示
‌说明：‌
该图系统展示了CMDF超级电容器的综合性能：
a-d通过不同电流密度测试，验证器件具有高比电容（0.8 F·cm⁻²@2 mA·cm⁻²）、宽电压窗口（0–1 V）及优异能量密度（45 μWh·cm⁻²）；
e证明串并联连接可灵活调节输出电压与容量，满足复杂电路需求；
f显示经5000次循环后电容保持率达92%，归因于MXene/碳纤维协同增强的结构稳定性；g-h揭示器件在机械弯曲（0–180°）下电容衰减小于8%，凸显三维针刺结构的柔性适配性；i通过驱动柔性显示屏，验证其在可穿戴电子中的实用潜力。
 
一、创新性与技术突破
‌废旧纺织品的资源化利用‌
将废旧牛仔布通过针刺工艺形成3D纤维骨架，结合碳化处理实现棉纤维向导电碳材料的转化，为解决全球每年约1.5亿吨废旧纺织品的环境污染问题提供了新思路。
该方法通过针刺技术构建三维多孔结构，增加了MXene的负载位点，优化了离子传输通道，与传统的二维MXene薄膜相比，有效缓解了片层堆积问题。
‌MXene复合电极的性能优化
碳化过程去除MXene中的-F基团并生成TiC相，提高了材料的导电性和化学稳定性。
电极在0.5 mA cm⁻²下达到1748.5 mF cm⁻²的比电容，优于多数MXene/纤维素复合电极（如碳点插层MXene薄膜的527 F/g）和部分柔性自支撑电极（如中山大学团队报道的400℃低温碳化工艺）。

二、潜在不足与改进方向

‌MXene负载量的限制‌
文献未明确说明MXene在纤维上的最大负载量及与电容性能的定量关系，而类似研究（如MXene/细菌纤维素电极）表明，表面官能团调控可进一步优化离子存储能力。
‌高温碳化的能耗与环保性‌
碳化温度高达1200°C，可能增加能耗与成本。相比之下，中山大学团队采用400°C低温碳化结合聚合物原位生长策略，兼顾性能与工艺经济性5，未来或可探索低温复合工艺。
‌柔性机械性能的验证不足‌
文献缺少对电极弯曲、拉伸等机械性能的系统测试，而南林团队的可拉伸超级电容器已实现600%拉伸率6，表明本方法在极端形变下的稳定性需进一步验证。

三、应用前景与领域价值

‌智能可穿戴设备‌
高柔性、轻量化特性使其适用于智能手表、电子皮肤等场景，与NH3诱导蚀刻MXene薄膜的应用方向一致。
‌环保与可持续性‌
以废旧牛仔布为原料，契合循环经济需求，与樊威教授团队前期工作一脉相承，未来可拓展至其他棉纺织品回收领域。
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01226-y

转自《石墨烯研究》公众号