High-aligned oppositely-charged nanocellulose/MXene aerogel membranes through synergy of directional freeze-casting and structural densification for osmotic-energy harvesting

材料科学 纳米纤维素 气凝胶 渗透力 功率密度 纳米结构 纳米棒 电导率 纳米技术 化学工程 纤维素 功率(物理) 正渗透 反渗透 量子力学 物理化学 化学 物理 遗传学 工程类 生物
作者
Zhanhong Yuan,Binglin Zhou,Kaiyu Yuan,Zhijiang Xie,Ke Zheng,Huiqing Wang,Chenlu Jiao,Dongdong Ye
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:124: 109450-109450 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109450
摘要

Optimization of ion-transport paths can considerably improve ion-transport capabilities in charged nanochannels. Thus, the assembly of high-charge-density one- and two-dimensional nanomaterials into aligned nanochannels is necessary for high-performance osmotic-energy harvesting. Herein, we prepared cellulose/MXene aerogel membranes with opposite charges and aligned nanochannels via chemical modification on algal cellulose nanofibers and MXene nanosheets, unidirectional freeze casting, and structural densification to considerably enhance the ionic conductivity in low-concentration solutions (maximum conductivity of 2.88 × 10−3 S cm−1). In particular, the aligned membrane had an output power density of 2.97 and 4.89 times higher than membranes used for suction filtration and isotropic nanochannels, respectively, demonstrating the necessity for nanostructure control. In addition, due to the photothermal effect of MXene, the positively–negatively (P–N) charged unit produced a maximum output power density of 8.87 W m−2 under a concentration gradient of artificial seawater and river water and simulated sunlight. Moreover, the unit maintained 90.4% of its original output capacity after 168 h of operation. As a proof of concept, we created nine series of P–N units and successfully powered an electronic calculator with an output voltage of 1.85 V. This study reveals improvements in developing renewable materials with an aligned nanostructure for high-performance osmotic-energy conversion.
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