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Proton-Conductive COF Evenly Embedded Cellulose Aerogels toward Water Harvesting and Spontaneous Sustained Power Generation from Ambient Moisture and Human Respiration

气凝胶 材料科学 水分 导电体 化学工程 纳米技术 复合材料 工程类
作者
Xiuli Xie,Xiaotong Wang,Yang Zhang,Long Fang,Jiangshan Feng,Shaohong Liu,Dingshan Yu,Fangming Zhu,Xudong Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 3279-3288 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acsami.3c14264
摘要

Herein, we develop a new intelligent moisture-sensitive hybrid aerogel by evenly embedding a proton-conductive covalent organic framework (COF-2SO3H) into a carboxylated cellulose nanofiber network (CNF-C) for water harvesting and spontaneous sustained electricity production from ambient humidity and human respiration. Our strategy first exploits the "suspending agent" role of CNF-C to stably disperse COF materials in water for forming uniform hierarchical hybrid structures. By utilizing the synergy of COF-2SO3H and CNF-C together with their inherent structure merits and surface group effects, the hybrid aerogel displays increased water uptake and ion conductivity. Upon asymmetric moisturization, it can create a self-maintained moisture gradient to engender a concentration difference for mobile Na+ and H+, resulting in efficient charge separation and diffusion. Thus, the hybrid aerogel-based coin-type generator achieves a continuous output voltage of ∼0.55 V for at least 5 h in ambient environments in contrast to that using pure CNF-C and carbon-based generators with transient voltage response. Intriguingly, the wearable generator with an aerogel in a mask is more sensitive to human respiration and achieves repeatable and reliable self-charge for persistent electricity along with an increased output voltage of up to 1.0 V and much faster self-charge (only 3 min), both of which surpass most reported moisture-enabled generators.
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