将废棉织物升级再造成高价值的多孔碳球，用于高性能电磁波吸收

摘要：随着居民消费水平的提高，纺织品生产得到了蓬勃发展，产生了大量废旧棉织物（WCF），其占纺织废弃物总量的约24%。开发具有规则形态的碳材料对实现WCF的高价值应用具有重要意义。本文，四川大学吴刚教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces

1成果简介

随着居民消费水平的提高，纺织品生产得到了蓬勃发展，产生了大量废旧棉织物（WCF），其占纺织废弃物总量的约24%。开发具有规则形态的碳材料对实现WCF的高价值应用具有重要意义。本文，四川大学吴刚教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Upcycling of Waste Cotton Fabrics into High-Value Porous Carbon Spheres for High-Performance Electromagnetic Wave Absorption”的论文，研究通过水热法从WCF转化而来的球形前驱体制备了碳球（CS），随后采用碱蚀刻和碳化方法进行处理。

此外，通过调节碱蚀刻浓度和碳化温度，有效调控了CS的直径、孔结构及石墨化程度。得益于改进的阻抗匹配和强介电损耗，制备的CS展现出优异的电磁波吸收性能，在10wt%的超低填充量下，于1.5mm厚度时实现最小反射损耗−42.5 dB及3.4 GHz的有效吸收带宽。雷达截面积模拟结果揭示了CS在雷达隐身领域的潜在应用。此外，该方法可应用于废弃商品棉纺织品。其制备的CS在相同填充量和厚度下，最小反射损耗（RLmin）为−42.4 dB，但有效吸收带宽（EAB）更宽，达4.32 GHz。本研究为废弃商品棉（WCF）的升级再利用及制备碳微球用于能源存储、转换等高价值应用提供了新途径。

2图文导读

图1. (a) Preparation process illustration. SEM images of (b)WCF, (c) HS, (d) CS-1-700, (e) CS-1-800, and (f) CS-1-900. (g) The diameter distribution diagram of HS, CS-1-700, CS-1-800, and CS-1-900. SEM images of (h) CS-0-900 and (i) CS-3-900.

图2. (a) FTIR spectra, (b) XRD pattern, and (c) TGA/DTG curves of WCF and HS. (d) Nitrogen adsorption/desorption isotherms, (e) pore size distribution, (f) XRD pattern, (g) Raman spectra, (h) XPS high-resolution O 1s spectra, and (i) corresponding elemental proportion of various CSs.

图3. 3D plots and curves of RL for (a) CS-0-900, (b) CS-1-700, (c) CS-1-800, (d) CS-1-900, and (e) CS-3-900 with a filler loading of 10 wt %. (f) The SRLl and SRLld values of CSs.

图4. Calculated delta (Δ) value maps of (a) CS-0-900, (b) CS-1-700, (c) CS-1-800, (d) CS-1-900, and (e) CS-3-900. (f) Attenuation constant of CSs.

图5. (a) Real part, (b) imaginary part of complex permittivity, and (c) dielectric loss tangent of CSs. Cole–Cole semicircles of (d) CS-0-900, (e) CS-1-700, (f) CS-1-800, (g) CS-1-900, and (h) CS-3-900. (i) Comparison of the filler loading, RLmin, and thickness with typical microwave absorption materials derived from wastes.

图6. (a) Illustration of the microwave absorption mechanisms of CSs. 3D simulation model of the RCS of (b) PEC and (c) PEC coating CS-1-900 model. (d) Corresponding RCS simulated curves.

3小结

综上所述，通过水热法与碱蚀刻辅助碳化方法，WCF被升级为具有优异电磁波吸收性能的多孔CSs。此外，提出了水热过程中微球形成机制，并研究了碱蚀刻与碳化工艺的条件。所得的CS-1-900样品在碱蚀刻浓度为1 M且碳化温度为900 °C时，展现出较高的比表面积（396.92 m² g⁻¹）和适中的石墨化程度。这有利于其优异的阻抗匹配、多散射/反射、导电损耗及偶极极化松弛能力。因此，CS-1-900在填料含量为10 wt%且厚度为1.5 mm时，实现了RLmin为−42.5 dB和EAB为3.4 GHz的性能。此外，该方法在实际处理废弃棉织物中的可行性也得到了验证。本研究为废弃纺织品的资源利用提供了新的思路。

文献：