Fibras de Carbono Activado Jerárquicas de Guantes de Algodón Residuales: Electrodos de Alto Rendimiento para Supercondensadores

Resumen

Uno de los obstáculos más significativos en aprovechar nanocarbonos derivados de biomasa para supercondensadores es la pérdida de estructura intrínseca durante activación. En este estudio, introducimos una novedosa clase de fibras de carbono activado (ACF) usando guantes de algodón residuales (CG) como precursor. CG, compuesto principalmente de celulosa, retiene naturalmente su morfología fibrosa cuando se somete a pirólisis y activación KOH, produciendo material con marco 3D interconectado y sistema de poros altamente jerárquico. La ACF derivada de CG (CGACF) exhibe área superficial BET excepcional de 1,435 m² g⁻¹, dominada por microporos de 1.3 nm y mesoporos de 2.7 nm, y preserva el esqueleto fibroso original. Esta estructura minimiza simultáneamente resistencia de difusión de electrolito y electrones mientras maximiza capacidad de almacenamiento de carga. Consecuentemente, CGACF entrega capacitancia específica de 218 F g⁻¹ a 0.1 A g⁻¹ y mantiene 88 % de su capacitancia a densidad de corriente notablemente alta de 20 A g⁻¹, superando carbón activado comercial (AC).

Antecedentes

Materiales de carbono poroso (PCM) se han convertido en piedra angular de supercondensadores modernos, ofreciendo alta densidad de potencia, ciclos rápidos carga-descarga y estabilidad a largo plazo. Su rendimiento está intrínsecamente ligado a nanoestructura: micro y mesoporos bien definidos permiten formación eficiente de capa doble eléctrica, mientras meso y macroporos facilitan transporte iónico rápido. PCM convencionales de alto rendimiento como nanoesferas, nanotubos y nanobarras requieren síntesis multi-paso y oxidantes peligrosos, limitando escalabilidad.

PCM activados derivados de biomasa (APCM) siguen siendo opción comercialmente más viable por bajo costo y procesamiento directo. No obstante, muchos APCM —derivados de cáscaras de coco, madera, filtros de cigarrillos, hojas de té o escamas de pescado— a menudo sufren meso/macroporosidad inadecuada y pobre herencia estructural, llevando a utilización de área superficial disminuida a altas tasas. Seleccionar precursor que posea inherentemente arquitectura fibrosa interconectada y resista activación sin colapso es por tanto crítico.

Aquí explotamos guantes de algodón residuales, residuo textil ubicuo, como precursor. Sus fibras de celulosa pueden convertirse directamente a carbono preservando morfología mediante activación cuidadosa, produciendo CGACF con red de poros jerárquica superior y esqueleto conductor robusto.

Experimental

Preparación de CGACF

CGACF se sintetizó vía ruta de activación asistida por KOH. Fibras de guante de algodón se picaron a escala milimétrica, pre-carbonizadas a 500 °C por 3 h bajo N₂, luego mezcladas con KOH (KOH/PCCG = 1.5 % p/p) y carbonizadas a 900 °C (5 °C min⁻¹, 3 h, N₂). Producto lavado repetidamente con HCl y agua DI hasta pH neutro, luego secado a 80 °C por 12 h. Control no activado (CGCF) preparado idénticamente sin KOH. AC comercial (Kuraray) usado como referencia.

Caracterización Estructural

Difracción de rayos X (D/MAX 2200 VPC) y espectroscopía Raman (Renishaw inVia 2000) confirmaron estructura de carbono turbostrático y mayor densidad de defectos en CGACF. Morfología y nanoestructura examinadas por SEM (JSM-6330F) y TEM (JEOL JEM-2010). Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno a 77 K (Micrometrics ASAP 2460) proveyeron áreas BET y distribuciones de tamaño de poro vía t-plot, BJH y análisis DFT.

Mediciones Electroquímicas

Rendimiento electroquímico evaluado en 1 M H₂SO₄ usando celda simétrica dos electrodos. Electrodo de trabajo comprendió material activo, negro de carbono y PVDF (8:1:1 % p/p) prensado sobre lámina Ti (10 MPa) y secado a 120 °C por 12 h. Pruebas galvanoestáticas carga-descarga (GCD) de 0.1 a 20 A g⁻¹ con Neware CT2001A. Voltametría cíclica (CV) a 200 mV s⁻¹ y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) (5 mV, 0.001–100 kHz) en estación IM6ex. Capacitancia específica (C_g) calculada de curvas de descarga usando fórmula estándar.

Resultados y Discusión

Patrones XRD de CGCF y CGACF muestran picos anchos a 23.5° y 44° (2θ), indicativos de planos (002) y (100) de grafito turbostrático. Intensidad de pico disminuida en CGACF refleja porosidad extensa introducida por activación KOH. Espectros Raman muestran ratio I_D/I_G mayor para CGACF, confirmando mayor densidad de defectos correlacionada con porosidad mejorada.

Imágenes SEM y TEM revelan CG crudo exhibe fibras ~3 µm con superficies lisas. Tras pre-carbonización, diámetros de fibra se reducen a ~2 µm, manteniendo lisura. Activación KOH preserva esqueleto fibroso mientras crea superficie rugosa 3D interconectada que hospeda abundantes micro y mesoporos. TEM confirma numerosos nanoporos superficiales en CGACF, mientras AC comercial muestra bloques de carbono grandes no porosos.

Isotermas adsorción-desorción N₂ demuestran CGACF tiene captación significativamente mayor a bajo P/P₀, reflejando microporosidad aumentada. Bucle de histéresis a P/P₀ intermedio confirma presencia de mesoporos pequeños. Distribución tamaño poro DFT muestra picos a 1.3 nm (microporos) y 2.7 nm (mesoporos), alineados con observaciones TEM. En contraste, AC comercial muestra área superficial predominantemente microporosa de 1,282 m² g⁻¹.

Evaluación electroquímica confirma estructura ventajosa de CGACF. Curvas CV a 200 mV s⁻¹ exhiben forma casi rectangular para CGACF, mientras AC muestra distorsión, indicando accesibilidad iónica superior. Gráficos Nyquist EIS revelan menor resistencia serie (0.42 Ω vs 1.03 Ω) y resistencia transferencia de carga (0.94 Ω vs 2.90 Ω) para CGACF, subrayando transporte eficiente electrolito/electrón.

Pruebas GCD demuestran CGACF alcanza 218 F g⁻¹ a 0.1 A g⁻¹, superando AC (175 F g⁻¹). Incluso a densidad de corriente extrema 20 A g⁻¹, CGACF retiene 88 % de su capacitancia (192 F g⁻¹), mientras AC cae a 70 %.

Capacitancia por área superficial (C_S) indica utilización de área superficial. Ambos CGACF y AC muestran C_S similar (~13–15 µF cm⁻²) a baja densidad de corriente, pero CGACF mantiene C_S >13 µF cm⁻² a 20 A g⁻¹, mientras AC cae a 9 µF cm⁻². Pruebas estabilidad ciclao 5,000 ciclos a 1 A g⁻¹ revelan 96.3 % retención capacitancia para CGACF.

En resumen, rendimiento excepcional CGACF surge de dos características sinérgicas: (1) red micro/mesoporosa jerárquica entregando 1,435 m² g⁻¹ área superficial, y (2) esqueleto robusto tipo fibra con superficies 3D interconectadas que facilitan transporte rápido ión/electrón, especialmente a altas tasas.

Conclusiones

Hemos fabricado exitosamente nueva clase de fibras de carbono activado con nanoestructura jerárquica de guantes de algodón residuales. La ACF derivada de CG preserva morfología fibrosa original, logrando área superficial 1,435 m² g⁻¹ compuesta de microporos 1.3 nm y mesoporos 2.7 nm, y marco conductor 3D. Como resultado, CGACF entrega capacitancia específica 218 F g⁻¹ a 0.1 A g⁻¹ y mantiene 88 % de este valor a 20 A g⁻¹, superando AC comercial. Además, retiene 96.3 % capacitancia tras 5,000 ciclos a 1 A g⁻¹. Este trabajo demuestra que guantes de algodón residuales son precursor viable, de bajo costo, para electrodos de supercondensadores de alto rendimiento derivados de biomasa.