Fibras de Carbono Ativado Hierárquicas de Luvas de Algodão Residual: Eletrodos de Alto Desempenho para Supercapacitores

Resumo

Um dos obstáculos mais significativos no aproveitamento de nanocarbonos derivados de biomassa para supercapacitores é a perda de estrutura intrínseca durante ativação. Neste estudo, introduzimos uma nova classe de fibras de carbono ativado (ACFs) usando luvas de algodão residuais (CG) como precursor. CG, amplamente composto de celulose, retém naturalmente sua morfologia fibrosa quando submetido a pirólise e ativação com KOH, produzindo um material com estrutura 3D interconectada e sistema de poros altamente hierárquico. O ACF derivado de CG (CGACF) exibe área de superfície BET excepcional de 1.435 m² g⁻¹, dominada por microporos de 1,3 nm e mesoporos de 2,7 nm, e preserva o esqueleto fibroso original. Esta estrutura simultaneamente minimiza resistência de difusão de eletrólito e elétrons enquanto maximiza capacidade de armazenamento de carga. Consequentemente, CGACF entrega capacitância específica de 218 F g⁻¹ a 0,1 A g⁻¹ e mantém 88% de sua capacitância em densidade de corrente notavelmente alta de 20 A g⁻¹, superando carbono ativado comercial (AC).

Fundamentação

Materiais de carbono porosos (PCMs) tornaram-se a pedra angular dos supercapacitores modernos, oferecendo alta densidade de potência, ciclos rápidos de carga-descarga e estabilidade a longo prazo. Seu desempenho, no entanto, está intrinsecamente ligado à nanoestrutura: micro e mesoporos bem definidos permitem formação eficiente de camada dupla elétrica, enquanto meso e macroporos facilitam transporte rápido de íons. PCMs convencionais de alto desempenho como esferas de carbono, nanotubos e nanobastões requerem sínteses em múltiplas etapas e oxidantes perigosos, limitando escalabilidade.

PCMs ativados derivados de biomassa (APCMs) permanecem a opção comercialmente mais viável devido ao seu baixo custo e processamento direto. No entanto, muitos APCMs — derivados de cascas de coco, madeira, filtros de cigarro, folhas de chá ou escamas de peixe — frequentemente sofrem de meso/macroporosidade inadequada e herança estrutural pobre, levando a utilização diminuída de área de superfície em altas taxas. Selecionar um precursor que inerentemente possua arquitetura fibrosa interconectada e possa suportar ativação sem colapso é, portanto, crítico.

Aqui exploramos luvas de algodão residuais, um resíduo têxtil ubíquo, como precursor. Suas fibras de celulose podem ser diretamente convertidas em carbono enquanto preservam morfologia através de ativação cuidadosa, produzindo CGACF com rede de poros hierárquica superior e esqueleto condutivo robusto.

Experimental

Preparação de CGACF

CGACF foi sintetizado via rota de ativação assistida por KOH. Fibras de luva de algodão foram picadas em escala milimétrica, pré-carbonizadas a 500 °C por 3 h sob N₂, então misturadas com KOH (KOH/PCCG = 1,5% em peso) e carbonizadas a 900 °C (5 °C min⁻¹, 3 h, N₂). O produto foi repetidamente lavado com HCl e água desionizada até pH neutro, então seco a 80 °C por 12 h. Um controle não-ativado (CGCF) foi preparado identicamente sem KOH. AC comercial (Kuraray) foi usado como referência.

Caracterização Estrutural

Difração de raios X (D/MAX 2200 VPC) e espectroscopia Raman (Renishaw inVia 2000) confirmaram estrutura de carbono turbostrático e aumento de densidade de defeitos em CGACF. Morfologia e nanoestrutura foram examinadas por MEV (JSM-6330F) e MET (JEOL JEM-2010). Isotermas de adsorção-desorção de nitrogênio a 77 K (Micrometrics ASAP 2460) forneceram áreas de superfície BET e distribuições de tamanho de poro via análises t-plot, BJH e DFT.

Medidas Eletroquímicas

Desempenho eletroquímico foi avaliado em H₂SO₄ 1 M usando célula simétrica de dois eletrodos. O eletrodo de trabalho compreendia material ativo, negro de carbono e PVDF (8:1:1% em peso) prensado sobre folha de Ti (10 MPa) e seco a 120 °C por 12 h. Testes de carga-descarga galvanostática (GCD) foram conduzidos de 0,1 a 20 A g⁻¹ usando Neware CT2001A. Voltametria cíclica (CV) a 200 mV s⁻¹ e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) (5 mV, 0,001-100 kHz) foram registrados em workstation IM6ex. Capacitância específica (C_g) foi calculada a partir de curvas de descarga usando fórmula padrão.

Resultados e Discussões

Padrões XRD de CGCF e CGACF (Fig. 2a) exibem picos largos a 23,5° e 44° (2θ), indicativos de planos (002) e (100) de grafite turbostrático. A intensidade de pico diminuída em CGACF reflete a extensa porosidade introduzida pela ativação com KOH. Espectros Raman (Fig. 2b) mostram razão I_D/I_G mais alta para CGACF, confirmando aumento de densidade de defeitos que correlaciona com porosidade aprimorada.

Imagens MEV e MET (Fig. 3) revelam que CG bruto exibe fibras de ~3 µm com superfícies lisas. Após pré-carbonização, diâmetros de fibra encolhem para ~2 µm, mantendo lisura. Ativação com KOH preserva o esqueleto fibroso enquanto cria superfície 3D interconectada e rugosa que hospeda abundantes micro e mesoporos (Fig. 3c-d). MET confirma numerosos nanoporos de superfície em CGACF, enquanto AC comercial mostra grandes blocos de carbono não-porosos (Fig. 3f).

Isotermas de adsorção-desorção de N₂ (Fig. 4a) demonstram que CGACF tem absorção significativamente maior em baixo P/P₀, refletindo microporosidade aumentada. Um loop de histerese em P/P₀ intermediário confirma presença de pequenos mesoporos. Distribuição de tamanho de poro DFT (Fig. 4b) mostra picos a 1,3 nm (microporos) e 2,7 nm (mesoporos), alinhando com observações MET. Em contraste, AC comercial mostra área de superfície predominantemente microporosa de 1.282 m² g⁻¹.

Avaliação eletroquímica confirma a estrutura vantajosa de CGACF. Curvas CV a 200 mV s⁻¹ exibem forma quase retangular para CGACF, enquanto AC mostra distorção (Fig. 5a), indicando acessibilidade iônica superior. Gráficos de Nyquist EIS (Fig. 5b) revelam menor resistência série (0,42 Ω vs. 1,03 Ω) e resistência de transferência de carga (0,94 Ω vs. 2,90 Ω) para CGACF, ressaltando transporte eficiente de eletrólito/elétrons.

Testes GCD (Fig. 6) demonstram que CGACF alcança 218 F g⁻¹ a 0,1 A g⁻¹, superando AC (175 F g⁻¹). Mesmo em densidade de corrente extrema de 20 A g⁻¹, CGACF retém 88% de sua capacitância (192 F g⁻¹), enquanto AC cai para 70%.

Capacitância por área de superfície (C_S) serve como indicador de utilização de área de superfície. Ambos CGACF e AC mostram C_S similar (~13-15 µF cm⁻²) em baixa densidade de corrente, mas CGACF mantém C_S mais alto (>13 µF cm⁻²) a 20 A g⁻¹, enquanto AC cai para 9 µF cm⁻². Testes de estabilidade de ciclagem por 5.000 ciclos a 1 A g⁻¹ revelam 96,3% de retenção de capacitância para CGACF (Fig. 7).

Em resumo, o desempenho excepcional de CGACF surge de duas características sinérgicas: (1) uma rede micro/mesoporosa hierárquica entregando área de superfície de 1.435 m² g⁻¹, e (2) um esqueleto robusto, tipo fibra, com superfícies 3D interconectadas que facilitam transporte rápido de íons/elétrons, especialmente em altas taxas.

Conclusões

Fabricamos com sucesso uma nova classe de fibras de carbono ativado com nanoestrutura hierárquica a partir de luvas de algodão residuais. O ACF derivado de CG preserva a morfologia fibrosa original, alcançando área de superfície de 1.435 m² g⁻¹ composta de microporos de 1,3 nm e mesoporos de 2,7 nm, e uma estrutura condutiva 3D. Como resultado, CGACF entrega capacitância específica de 218 F g⁻¹ a 0,1 A g⁻¹ e mantém 88% deste valor a 20 A g⁻¹, superando AC comercial. Além disso, retém 96,3% de capacitância após 5.000 ciclos a 1 A g⁻¹. Este trabalho demonstra que luvas de algodão residuais são um precursor viável, de baixo custo, para eletrodos de supercapacitores de alto desempenho derivados de biomassa.