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Environmentally sustainable moisture energy harvester with chemically networked cellulose nanofiber
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-08-28 , DOI: 10.1039/d4ee01881h EunAe Shin 1, 2 , Gwanho Kim 1 , Kaiying Zhao 1 , Guangtao Zan 1 , HoYeon Kim 1 , Shengyou Li 1 , Junhyuk Lee 2 , DongHo Kang 2 , Jin Woo Oh 1 , Jeyoung Jung 2 , Jin Kie Shim 2 , Cheolmin Park 1
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-08-28 , DOI: 10.1039/d4ee01881h EunAe Shin 1, 2 , Gwanho Kim 1 , Kaiying Zhao 1 , Guangtao Zan 1 , HoYeon Kim 1 , Shengyou Li 1 , Junhyuk Lee 2 , DongHo Kang 2 , Jin Woo Oh 1 , Jeyoung Jung 2 , Jin Kie Shim 2 , Cheolmin Park 1
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Moisture-driven energy generators (MEGs) utilizing cellulose, which are renowned for their inherent eco-friendliness, have garnered considerable attention; however, their stability, recyclability, and high performance remain to be demonstrated. Specifically, compromised structural integrity, particularly under moist conditions, severely curtails their long-term operational viability. We developed a highly stable cellulose MEG that operated continuously for 350 h with a maintained open circuit voltage of 0.703 V. The enhancement of cellulose MEG performance was achieved via a robust structural framework realized through a composite of cellulose nanofibers (CNFs) cross-linked with citric acid, alongside electrically conductive carbon nanotubes (CNTs). We engineered a free-standing bilayer-type cellulose MEG featuring a chemically networked CNF/CNT composite onto a moisture-supplying ionic organohydrogel. Our crosslinked cellulose MEG achieved a short-circuit current density of 39 μA cm−2 and a maximum power density of 28.9 μW cm−2. Moreover, the crosslinked CNF/CNT aerogel was successfully biodegraded with an enzyme after energy generation. The recycled cellulose MEG, utilizing recovered CNTs and reused ionic organohydrogel, achieved an impressive output of 98.8% compared with that of the original MEG. Our MEG finds practical utility as a temperature sensor in smart packaging for continuous monitoring. Our crosslinked cellulose MEG achieves sustainability via recyclability and enhancing its practical applicability.
中文翻译:
采用化学网络纤维素纳米纤维的环境可持续水分能量收集器
利用纤维素的湿气驱动能量发生器(MEG)以其固有的生态友好性而闻名,引起了相当大的关注;然而,它们的稳定性、可回收性和高性能仍有待证明。具体而言,结构完整性受损,特别是在潮湿条件下,会严重削弱其长期运行的可行性。我们开发了一种高度稳定的纤维素 MEG,可连续运行 350 小时,开路电压维持在 0.703 V。纤维素 MEG 性能的增强是通过由纤维素纳米纤维 (CNF) 交联的复合材料实现的坚固结构框架实现的。柠檬酸以及导电碳纳米管(CNT)。我们设计了一种独立式双层型纤维素 MEG,其特点是在保湿离子有机水凝胶上采用化学网络化 CNF/CNT 复合材料。我们的交联纤维素MEG实现了39 μA cm -2的短路电流密度和28.9 μW cm -2的最大功率密度。此外,交联的CNF/CNT气凝胶在产生能量后成功地被酶生物降解。与原始 MEG 相比,利用回收的 CNT 和重复使用的离子有机水凝胶,回收纤维素 MEG 的产量高达 98.8%。我们的 MEG 在智能包装中作为温度传感器具有实际用途,可实现连续监控。我们的交联纤维素 MEG通过可回收性和增强其实际适用性实现了可持续性。
更新日期:2024-08-28
中文翻译:
采用化学网络纤维素纳米纤维的环境可持续水分能量收集器
利用纤维素的湿气驱动能量发生器(MEG)以其固有的生态友好性而闻名,引起了相当大的关注;然而,它们的稳定性、可回收性和高性能仍有待证明。具体而言,结构完整性受损,特别是在潮湿条件下,会严重削弱其长期运行的可行性。我们开发了一种高度稳定的纤维素 MEG,可连续运行 350 小时,开路电压维持在 0.703 V。纤维素 MEG 性能的增强是通过由纤维素纳米纤维 (CNF) 交联的复合材料实现的坚固结构框架实现的。柠檬酸以及导电碳纳米管(CNT)。我们设计了一种独立式双层型纤维素 MEG,其特点是在保湿离子有机水凝胶上采用化学网络化 CNF/CNT 复合材料。我们的交联纤维素MEG实现了39 μA cm -2的短路电流密度和28.9 μW cm -2的最大功率密度。此外,交联的CNF/CNT气凝胶在产生能量后成功地被酶生物降解。与原始 MEG 相比,利用回收的 CNT 和重复使用的离子有机水凝胶,回收纤维素 MEG 的产量高达 98.8%。我们的 MEG 在智能包装中作为温度传感器具有实际用途,可实现连续监控。我们的交联纤维素 MEG通过可回收性和增强其实际适用性实现了可持续性。