《Waste Management》：From hazardous waste to High-Performance Electrodes: Upcycling discarded cigarette filters into N/S co-doped Free-Standing carbon membranes for advanced energy storage
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将废弃烟滤转化为氮硫共掺杂碳纳米纤维膜，经电纺、脱乙酰及碳化制备自支撑电极，其900℃碳化产物比表面积达385 m2/g，对称柔性超级电容器能量密度24 Wh/kg、功率密度2500 W/kg，循环稳定性达78.1%。该方法实现烟滤资源化与高性能储能材料的协同制备。
张青玲|刘金龙|李龙鑫|程有良|刘成坤|赵宇|方长青
西安理工大学纺织科学与工程学院，中国西安710048
摘要
废弃香烟过滤嘴是固体废物污染的主要来源，这主要是由于其不可生物降解性和有毒化学物质的持续渗出。因此，回收和再利用废弃的香烟过滤嘴对环境保护和可持续资源管理至关重要。本研究提出了一种创新方法，将废弃香烟过滤嘴转化为独立的电极材料，且无需对收集到的使用过的香烟过滤嘴进行复杂的预处理。通过静电纺丝、脱乙酰化和碳化工艺，利用废弃香烟过滤嘴制备了N/S共掺杂的碳纳米纤维膜。在900°C的碳化温度下，该碳膜具有385 m2·g?1的比表面积，并由于孔隙率和杂原子的协同效应，表现出最高的比电容229 F·g?1。组装的对称柔性超级电容器在2500 W·kg?1的功率密度下实现了24 Wh·kg?1
引言
出于对环境保护和资源回收的迫切需求，人们越来越重视将废弃物质转化为高价值产品（Zheng等人，2025年；Cao等人，2025年）。香烟过滤嘴（通常称为烟头）是全球最普遍的人为垃圾之一，对环境管理构成了重大挑战（Green等人，2023年）。据估计，每年大约消耗6万亿支香烟，产生8亿吨有毒垃圾（Dolar等人，2025年；Battista等人，2025年；Kusumkar等人，2024年）。尽管近年来全球烟草使用者的数量有所下降，但废弃的香烟过滤嘴仍占街道和道路上收集到的所有固体废物的25-50%（Hossain等人，2022年；Parveen等人，2024年；Torkashvand等人，2020年）。香烟过滤嘴主要由纤维素醋酸酯组成，这是一种生物降解率较低的纤维素衍生物（Lee等人，2025年）。此外，许多研究表明，香烟过滤嘴通常含有重金属、焦油、尼古丁和多环芳烃等有毒物质（Khan等人，2023年；Arat等人，2024年；Cho等人，2025年），这些物质对生物体具有毒性（Dobaradaran等人，2023年），因此这些有毒且不可生物降解的废物会在环境中长期存在，并导致广泛的环境污染。因此，迫切需要开发创新策略，以减轻香烟过滤嘴对环境的影响，并探索其作为增值产品的潜在用途。
目前，废弃香烟过滤嘴的回收和再利用主要集中在以下几种方法上。一种显著的方法是将废弃香烟过滤嘴转化为纤维素醋酸酯膜或织物，用于去除污染物。Friuli等人（2025年）提出了一种从废弃香烟过滤嘴中提取纤维素醋酸酯的环保方法，并将回收的纤维素醋酸酯制成功能性膜来处理废水。结果表明，回收的纤维素醋酸酯的化学和物理特性与商业级纤维素醋酸酯没有显著差异。Gohain等人（2024年）使用从废弃香烟过滤嘴中提取的纤维素醋酸酯制备了具有高通量和 rejection 率的膜，这些膜表现出优异的染料和离子分离能力。Li等人（2022年）通过一系列步骤使用回收的香烟过滤嘴制备了纤维素醋酸酯纤维织物，该织物对NH3具有良好的吸附效率。Liu等人（2019年）使用静电纺丝技术制备了涂有网状结构的香烟过滤嘴，这些产品可用于油水分离。另一种有前景的方法是将废弃香烟过滤嘴转化为碳材料用于能量存储。特别是基于废物管理原理的清洁能源存储和转换系统，由于环境污染和能源短缺问题而受到越来越多的关注。Liu等人（2025年）将废弃香烟过滤嘴与氢氧化钾按不同比例混合，然后通过碳化得到了具有高比表面积和良好孔结构的 hierarchical 多孔碳，这种碳材料可用作超级电容器的优良电极材料。De等人（2025年）使用废弃香烟过滤嘴作为碳前驱体制备了Ni–BN/C二元复合材料，制备的碳材料可以组装成灵活的全固态非对称超级电容器。该装置表现出优异的比电容和实用性。Balasubramaniam等人（2025年）使用三聚氰胺作为活化剂和回收的香烟过滤嘴作为碳资源制备了具有高比表面积的多孔碳，这种多孔碳可用于锂离子和钠离子电池。虽然目前的研究主要集中在从废弃香烟过滤嘴生产活性炭粉末上，但独立碳结构的开发仍然缺乏。此外，还应提高废弃香烟过滤嘴衍生碳的电化学性能。
为了提高废物衍生碳材料在电极应用中的潜力，研究人员致力于寻找有效的方法来改善其性能。一种简单有效的策略是通过掺杂引入杂原子，如硼（B）、氮（N）、硫（S）、氧（O）和磷（P）（Sharma等人，2024年）。通过杂原子掺杂将活性位点引入碳结构中，可以增强润湿性并优化孔结构，从而显著提高导电性和容量（Ansari等人，2025年；Zhou等人，2024年）。此外，杂原子掺杂通常可以分为单掺杂和多掺杂。多掺杂（如N/S、N/P、N/O/S等）由于不同元素之间的协同作用而具有比单掺杂更多的优势（Zhang等人，2025年；Tang等人，2025年；Singh等人，2025年）。例如，He等人（2024年）使用甘蔗渣作为原料和3-氨基-5-甲硫基-1,2,4-三唑作为氮和硫的来源，通过活化和热解合成了N/S掺杂的多孔碳材料。结果表明，N/S掺杂可以提高所得多孔碳的比电容。除了通过掺杂优化成分外，电极本身的结构设计对于实现高电化学性能也至关重要。在这方面，自支撑电极（通常作为集成纳米纤维膜制备）提供了一种结构上有利的替代方案。自支撑电极消除了传统电极中所需的非活性聚合物粘合剂和导电添加剂。去除这些成分后，界面电阻降低，活性材料的利用率提高，机械完整性得到改善。当与杂原子掺杂结合使用时，这种结构进一步提供了更多的活性位点，促进了离子传输的效率，并确保了可靠的电连接性，从而协同提高了倍率性能、循环稳定性和整体能量存储性能。
受上述研究的启发，本研究提出了一种低成本且简便的方法，将废弃香烟过滤嘴转化为N/S掺杂的碳膜，这些碳膜可用作超级电容器中的独立电极材料。在该设计中，回收的香烟过滤嘴作为碳前驱体，而硫脲既作为活化剂又作为原位N/S共掺杂的杂原子来源。引入的杂原子不仅创造了丰富的电活性位点，还调整了碳基体的表面化学和电子结构。更重要的是，所得的N/S掺杂碳膜具有无粘合剂的集成结构，消除了不必要的添加剂，提供了直接的电荷传输路径，从而显著提高了材料的电化学利用率。系统地研究了制备样品的形态、结构和电化学性能。这项工作为“废物转化为能源”提供了一种可持续且创新的策略，促进了废弃香烟过滤嘴的增值利用，并推动了环境的可持续发展。这项工作展示了一种可持续的“废物转化为能源”的途径，不仅实现了危险香烟过滤嘴的增值回收，还为先进的能量存储应用提供了高性能的独立电极材料。
章节片段
使用硫脲合成废弃纤维素醋酸酯纳米纤维膜
本研究中使用的废弃香烟过滤嘴来自周围环境。首先，去除香烟过滤嘴外的纸质包装，然后用热水多次清洗以去除焦油和明显杂质。随后，使用高速剪切机切割清洗后的废弃香烟过滤嘴，并将切割后的过滤嘴溶解在丙酮和DMAc（2:1）中，得到12 wt%的废弃纤维素醋酸酯溶液。接着，加入硫脲
结果与讨论
图1展示了含有硫脲的废弃纤维素醋酸酯纳米纤维膜和衍生的N/S掺杂碳纳米纤维膜的SEM图像。可以清楚地看到，含有硫脲的纤维素醋酸酯纳米纤维膜具有良好的纤维结构和均匀的直径（如图2(a)和图2(e)所示），表明废弃香烟过滤嘴可以作为生产纤维素醋酸酯纳米纤维的原料。衍生的碳纳米纤维表面光滑（如图2(b-d)所示），
结论
总之，本研究提出了一种创新方法，将废弃香烟过滤嘴转化为独立的电极材料。以废弃香烟过滤嘴作为碳源，硫脲作为氮和硫杂原子的来源，通过静电纺丝、脱乙酰化处理和热解制备了一种新型的N,S共掺杂生物质衍生碳膜，用于电化学能量存储应用。结果表明，N/S-CNF-900样品表现出
作者贡献声明
张青玲：撰写——原始草稿，可视化，实验研究。刘金龙：可视化，数据管理。李龙鑫：实验研究，数据管理。程有良：撰写——审稿与编辑。刘成坤：指导，资金获取，概念构思。赵宇：方法设计。方长青：指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了陕西省教育厅自然科学基金（编号：25JK0474）、国家自然科学基金（编号：52502111）、陕西省科学技术发展计划（编号：2025JC-YBMS-434）、西安市北林区科学技术规划项目（编号：GX2410）以及西安理工大学博士科学研究基金的财政支持。
