Logo: to the web site of Uppsala University

uu.sePublications from Uppsala University
Change search
ExportLink to record
Permanent link

Direct link
BETA

Project

Project type/Form of grant
Grant for employment or scholarship
Title [sv]
Cellulosabaserade nanokompositer för hydrovoltaisk energiskördning och lagring (Cellu-H2O-Ene)
Title [en]
Cellulose-based porous nanocomposites for hydrovoltaic energy harvesting and storage (CelluHydroHarvest)
Abstract [sv]
Att skörda energi direkt från miljön är ett lovande tillvägagångssätt för att bygga system för förnybar energi. Vatten är inte bara en av de rikligast förekommande och mest hållbara resurserna på jorden utan är också en gigantisk energikälla. Men bara en mycket liten del av energin som är möjlig att extrahera från vatten skördas i traditionella vattenkraftverk som omvandlar potentiell och kinetisk energi från flytande vatten till elektricitet. Detta projekt vill möjliggöra utnyttjande av elektrokinetiska principer för att generera elektricitet från naturlig vattenavdunstnings- och fuktabsorptionsprocesser med hjälp av cellulosabaserade kompositer och anordningar med skräddarsydda nanostrukturer. Vi ämnar att utveckla fristående, elektriskt ledande, flexibla och utskrivningsbara  nanokompositer baserade på cellulosananofiber kombinerade med porösa organiska material för design av hållbara, "utsläppsfria", effektiva och återvinningsbara elektricitetsgeneratorerna. Det överordnade målet med projektet är att designa återvinningsbara och hållbara energisystem som möjliggör cyklisk skördning-lagring-förbrukning av el genom att sammankoppla elgeneratorerna med superkondensatorer som skulle kunna fungera som bärbara kraftverk, strömförsörjning utomhus och kontinuerlig strömförsörjning för flexibel och bärbar elektronik. Dessutom kan de fungera som självdrivna sensorer för fuktavläsning, närhetsavkänning, svettanalys och andningsövervakning inom sjukvård, hygien och sport. Förutom att kunna ersätta nuvarande energilösningar som domineras av fossila bränslen och batteribaserade bärbara strömförsörjningar i utvalda applikationer kommer projektet förhoppningsvis också att stärka utvecklingen av hållbara cellulosabaserade högteknologiska produkter.
Abstract [en]
Harvesting energy directly from the environment is a promising approach for building a renewable energy systems. Based on the electrokinetic principles, this project will develop novel nanocomposites consisting of cellulose and porous organic materials that can convert the energy carried by water and moisture, such as latent heat and chemical potential energy, into electricity through the natural and ubiquitous processes of water evaporation and moisture absorption. The nanocomposites will be designed to possess: high surface areas, tuneable porous channels with high surface charges, high ionic and electrical conductivities, good processability, flexibility and biocompatibility. This will allows us to design sustainable, “zero emission”, efficient and recyclable water-evaporation-induced electricity generation (WEG) and moisture-absorption-enabled electricity generation (MEG) devices. The project also aims at reaching a fundamental understanding on how the composition, porous structure, surface chemistry, ionic conductivity and electrical conductivity of the materials influence the electricity generation processes and how to tailor the performances of the devices. The ultimate long-term goal is to form a basis for designing sustainable energy harvesting and storage units by coupling the WEG/MEG devices with supercapacitors. These units can act as portable power stations, outdoor power supplies, and provide a continuous power supply for flexible electronic devices.
Publications (1 of 1) Show all publications
Jiang, S., Kong, X., Chen, H., Wu, W., Xiao, H., Strømme, M. & Xu, C. (2025). Laser-etched flexible microsupercapacitors based on nanocellulose and conductive metal–organic frameworks. Chemical Engineering Journal, 509, Article ID 161059.
Open this publication in new window or tab >>Laser-etched flexible microsupercapacitors based on nanocellulose and conductive metal–organic frameworks
Show others...
2025 (English)In: Chemical Engineering Journal, ISSN 1385-8947, E-ISSN 1873-3212, Vol. 509, article id 161059Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Flexible supercapacitors hold promise for applications in wearable electronic devices. However, the challenges of achieving flexibility, miniaturization, and high volumetric capacitance persist. In this work, precise laser etching of cellulose composites, prepared via in-situ growth of conductive metal–organic frameworks (c-MOFs) on cellulose nanofibers (CNF), was employed to fabricate flexible, binder-free, and integrated microsupercapacitors (MSCs). The interfacial synthesis of Ni3(HITP)2 (a type of c-MOF) on the surface of CNF yields a continuous and uniform conductive shell, enabling efficient electron transfer along the CNF@c-MOF nanofibers. The interwoven structure of the nanofibers creates a hierarchical porous network with enhanced surface area featuring interconnected porous channels, enabling rapid ion transport. The laser etching technique facilitates one-step production of integrated MSCs with a precisely interdigitated configurations and micron-scale accuracy. The fabricated MSCs demonstrate excellent mechanical stability, with a tensile strength of up to 81.9 MPa, and remarkable flexibility, maintaining consistent electrochemical performance under bending stress. The flexible device, with a thickness of only 45 µm, achieves a high volumetric specific capacitance of 36.7 F cm−3 at a current density of 0.17 mA cm−2 and a specific energy density of 2,497.5 µWh cm−3 at a power density of 53.3 mW cm−3. This study provides a new strategy for designing flexible, binder-free, integrated MSCs with high capacitances and long cyclic stability, demonstrating significant potential for applications in wearable electronics.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2025
Keywords
Conductive metal–organic frameworks, Nanocellulose, Laser etching, Microsupercapacitor, Interdigitated electrode
National Category
Materials Chemistry Nanotechnology for Material Science
Research subject
Engineering Science with specialization in Nanotechnology and Functional Materials
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-552523 (URN)10.1016/j.cej.2025.161059 (DOI)001448408100001 ()2-s2.0-86000642418 (Scopus ID)
Funder
Swedish Research Council, 2023-04504ÅForsk (Ångpanneföreningen's Foundation for Research and Development), 22-54
Note

De två första författarna delar förstaförfattarskapet

Available from: 2025-03-16 Created: 2025-03-16 Last updated: 2025-04-15Bibliographically approved
Principal InvestigatorXu, Chao
Coordinating organisation
Uppsala University
Funder
Period
2024-01-01 - 2027-12-31
National Category
Materials ChemistryComposite Science and Engineering
Identifiers
DiVA, id: project:9061Project, id: 2023-04504_VR

Search in DiVA

Materials ChemistryComposite Science and Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar