kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Advancing Hydrovoltaic Energy Harvesting from Wood through Cell Wall Nanoengineering
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Biocomposites. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center.ORCID iD: 0000-0002-1029-6912
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Biocomposites.ORCID iD: 0000-0003-0476-3323
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Biocomposites.ORCID iD: 0000-0003-4385-3815
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Chemistry, Glycoscience.ORCID iD: 0000-0002-7738-5952
Show others and affiliations
2023 (English)In: Advanced Functional Materials, ISSN 1616-301X, E-ISSN 1616-3028, Vol. 33, p. 2208933-Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Converting omnipresent environmental energy through the assistance of spontaneous water evaporation is an emerging technology for sustainable energy systems. Developing bio-based hydrovoltaic materials further pushes the sustainability, where wood is a prospect due to its native hydrophilic and anisotropic structure. However, current wood-based water evaporation-assisted power generators are facing the challenge of low power density. Here, an efficient hydrovoltaic wood power generator is reported based on wood cell wall nanoengineering. A highly porous wood with cellulosic network filling the lumen is fabricated through a green, one-step treatment using sodium hydroxide to maximize the wood surface area, introduce chemical functionality, and enhance the cell wall permeability of water. An open-circuit potential of ≈140 mV in deionized water is realized, over ten times higher than native wood. Further tuning the pH difference between wood and water, due to an ion concentration gradient, a potential up to 1 V and a remarkable power output of 1.35 µW cm−2 is achieved. The findings in this study provide a new strategy for efficient wood power generators.

Place, publisher, year, edition, pages
2023. Vol. 33, p. 2208933-
Keywords [en]
cell wall nanoengineering, green chemistry, water evaporation, wood power generators
National Category
Materials Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-319626DOI: 10.1002/adfm.202208933ISI: 000889903100001Scopus ID: 2-s2.0-85142365851OAI: oai:DiVA.org:kth-319626DiVA, id: diva2:1701052
Funder
Knut and Alice Wallenberg Foundation, 742733Swedish Research Council, 2017‐05349
Note

QC 20230512

Available from: 2022-10-04 Created: 2022-10-04 Last updated: 2023-05-12Bibliographically approved
In thesis
1. Integrated Cellulosic Wood Aerogel Structures
Open this publication in new window or tab >>Integrated Cellulosic Wood Aerogel Structures
2022 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Highly porous aerogels based on renewable materials that possess structural functionality are appealing for sustainable energy regulation and harvesting. Achieving structural anisotropy provides advantageous directional diffusion and mechanical strength, however, introduces great engineering challenges, such as complex, costly, and time-consuming processing. Direct use of wood, where nanocellulose is favorably orientated, offers the opportunity of forming low-cost, scalable, and eco-friendly aerogels.

This thesis explores a new type of nanostructured wood material design by filling the empty wood space with cellulosic aerogel structures based on its intrinsic biopolymers. The structure control is achieved through selective reassembly of the cell wall nanocomponents by cell wall partial dissolution and regeneration. The resultant structures, named integrated wood aerogels, show a unique combination of high specific surface area and strength due to partial retention of the wood hierarchical structure and formation of mesoporous nanofibrillated networks occupying the lumen. Different chemical systems are investigated, including DMAc/LiCl, ionic liquid (IL), and aqueous NaOH, and the processing-structure-property relationships are investigated. DMAc/LiCl is successfully used as proof of concept for integrated wood aerogel formation, but moisture sensitivity and toxicity of the system hinder further development. The IL [MTBD][MMP] is developed to solve the issues and to improve the structure control in cell wall dissolution and regeneration. An aqueous NaOH system advances the integrated cellulosic wood aerogel preparation further, considering low cost and greener chemistry. Wood composition, lignin in particular, is critical to the processing and final properties of the integrated wood aerogel. The influence of lignin content is investigated based on IL and NaOH systems. The influence of processing (such as chemical system, time and temperature) on the structure and properties (e.g. porosity, specific surface area, mechanical performance, thermal conductivity and charge density) of the aerogels are studied. 

Ascribing to the structure-property profile, the application of the integrated aerogel for efficient thermal insulation is demonstrated. Inspired by the water uptake in plants, high-performing pH-responsive wood power generators are formed based on water evaporation-induced electricity. The integrated aerogel structure greatly increases the solid/liquid interphase while allowing excellent mass diffusion.

The methodologies presented in this thesis for selective nanoscale reassembly of the wood cell wall pave the way for advanced wood nanostructure control. The integrated wood aerogel structure reported here provides a universal material platform for advanced material design, such as a self-sustaining wood power generator. The facile and scalable processing contribute toward sustainable high-performing bioaerogels which can compete with fossil-based materials.

Abstract [sv]

Högporösa aerogeler baserade på förnybara material med strukturell funktionalitet är attraktiva för hållbar energireglering och energiutvinning. Strukturell anisotropi har potential att ge dessa material fördelaktiga diffusiva och mekaniska egenskaper, men framställning av ordnade strukturer kräver mer kostsamma och tidskrävande processer. Direkt användning av trä, där nanocellulosa redan är gynnsamt orienterad ger möjlighet att framställa billiga, skalbara och miljövänliga aerogeler.

I den här avhandlingen utforskas en ny typ av nanostrukturerade trämaterial skapade genom att fylla det tomma utrymmet i trä med aerogelstrukturer baserade på cellväggens egna biopolymerer. Strukturen kan kontrolleras genom att selektivt återuppbygga nanokomponenterna i cellväggen genom partiell upplösning och utfällning. De erhållna strukturerna, här benämnda integrerade träaerogeler, uppvisar en unik kombination av hög ytarea och styrka på grund av att träets hierarkiska struktur delvis bibehålls och att mesoporösa nätverk av nanofibriller bildas i lumen. Olika kemiska system undersöks, bland annat DMAc/LiCl, jonvätska och vattenbaserad NaOH, och förhållandet mellan framställning, struktur och egenskaper undersöks. DMAc/LiCl används med framgång för att visa det integrerade träaerogelkonceptets gångbarhet, men systemets fuktkänslighet och toxicitet hämmar fortsatt utveckling. Jonvätskan [MTBD][MMP] utvecklades för att underlätta processen och för att förbättra strukturkontrollen vid upplösning och utfällning av cellväggens komponenter. Ett vattenbaserat NaOH-system förbättrade framställningen av integrerade träaerogeler ytterligare, speciellt med avseende på lägre kostnad och miljövänligare kemi. Träets sammansättning, särskilt lignin, är avgörande för framställningen och för de integrerade träaerogelernas egenskaper. Lignininnehållets inverkan undersöks utifrån jonvätska- och NaOH-systemen. Framställningsparametrars (t.ex. kemiskt system, tid och temperatur) inverkan på aerogelens struktur och egenskaper (t.ex. porositet, specifik yta, mekanisk prestanda, värmeledningsförmåga och laddningstäthet) studeras.

Med de erhållna strukturegenskaperna kunde de integrerade träaerogelerna användas för effektiv värmeisolering och  med inspiration av den naturliga vattenledningsförmågan i träd designades högpresterande och pH-responsiva kraftgeneratorer. Den integrerade aerogelstrukturen ökade interaktionen mellan trämaterialet och vätskan samtidigt som den möjliggjorde bättre vätsketransport.

Metoderna som presenteras i den här avhandlingen visar en ny strategi för avancerad kontroll av träets nanostruktur genom selektiv återuppbyggnad av träets cellvägg. Den träbaserade aerogelstrukturen som uppvisas här utgör en helt biobaserad materialplattform för avancerad materialdesign. Den enkla och skalbara framställningen från trä bidrar i hög grad till hållbara och högpresterande bioaerogeler som kan konkurrera med fossilbaserade material.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2022. p. 85
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2022:49
Keywords
Aerogel, cellulose, energy harvesting, ionic liquids, nanotechnology, wood, thermal insulation
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology Polymer Technologies Composite Science and Engineering
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-319629 (URN)978-91-8040-360-3 (ISBN)
Public defence
2022-10-28, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 2022-10-05

Available from: 2022-10-05 Created: 2022-10-04 Last updated: 2023-10-28Bibliographically approved
2. Biosynthesis, interactions, and structure of native lignin
Open this publication in new window or tab >>Biosynthesis, interactions, and structure of native lignin
2023 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Wood biomass is an important resource in the development ofstrategies towards replacement of fossil-based materials. Woodcomprises cellulose, hemicelluloses and lignin, in amounts thatvary between species. Traditionally, the extraction of cellulose hasbeen prioritized for the production of pulp, paper, and novelmaterials, at the expense of the other two thirds of the woodbiomass. Lignin is an important component of wood, comprising acomplex polymer of aromatic compounds. At the moment, mostof this abundant biopolymer is usually burned for energy or simplydiscarded as a huge waste of the pulp industries, after severemodifications in its already complex structure have rendered itdifficult to valorize. A deeper understanding of the lignin polymerand its properties can guide the design of milder extractiontechniques to obtain specific lignin structures as are needed.In this thesis, fundamental aspects of lignin biosynthesis,structure, and interactions with other cell wall components areinvestigated, employing model biological systems and diversechemical methods. Specifically, a Norway spruce tissue culturethat produces lignin extracellularly, without deposition to theplant cell wall, was used to understand the impact of a secondarycell wall hemicellulose on the production and structure of lignin.The main advantage of this model system is that it enables thecollection of lignin without the need for extraction, which is knownto alter the structure of lignin. The same system was studied viatranscriptomic analysis to elucidate the impact of a hemicelluloseon the lignin biosynthetic pathway and other metabolic processes.The effect of extraction on the structure of lignin was addressedwith the development of mild and green extraction protocols forsoftwood and hardwood species. Different conditions led to thecollection of discrete lignin populations. The results could informthe development of lignin-first biorefinery applications, in whichspecific structural properties of the biopolymer are preserved.Finally, native-like lignin fractions extracted using these mildprotocols were used for the preparation of lignin nanoparticles, toshowcase their potential in high-end applications. Furthermore,the importance of unmodified lignin in the properties of woodaerogel applications was also studied, and was included in thisthesis to demonstrate that lignin modification or even removal isnot always necessary to obtain materials with propertiescompetitive to their fossil-based analogues.

Abstract [sv]

Träbiomassa är en viktig resurs i utvecklingen av strategier för attersätta fossilbaserade material. Trä består av cellulosa,hemicellulosa och lignin, i mängder som varierar mellan arterna.Traditionellt har utvinning av cellulosa prioriterats förframställning av massa, papper och nya material, på bekostnad avövriga två tredjedelar av träbiomassan. Lignin är en viktigkomponent i trä, som består av en komplex polymer av aromatiskaföreningar. För närvarande bränns det mesta av denna rikligabiopolymer vanligtvis för energi eller helt enkelt kasseras som ettenormt slöseri från massaindustrin, efter att allvarligamodifieringar i dess redan komplexa struktur har gjort det svårt attvärdera den. En djupare förståelse av ligninpolymeren och dessegenskaper kan vägleda utformningen av mildareextraktionstekniker för att erhålla specifika ligninstrukturer efterbehov.I denna avhandling undersöks grundläggande aspekter avligninbiosyntes, struktur och interaktioner med andracellväggskomponenter, med hjälp av biologiska modellsystem ocholika kemiska metoder. Specifikt användes en granvävnadskultursom producerar lignin extracellulärt, utan avsättning påväxtcellväggen, för att förstå effekten av en sekundärcellväggshemicellulosa på produktionen och strukturen av lignin.Den största fördelen med detta modellsystem är att det möjliggörinsamling av lignin utan behov av extraktion, vilket är känt för attförändra strukturen av lignin. Samma system studerades viatranskriptomisk analys för att belysa inverkan av en hemicellulosapå ligninbiosyntesvägen och andra metaboliska processer.Effekten av extraktion på strukturen av lignin togs upp medutvecklingen av milda och gröna extraktionsprotokoll för barr- ochlövvedsarter. Olika förhållanden ledde till insamling av specifikaligninpopulationer. Resultaten skulle kunna informera omutvecklingen av lignin-första bioraffinaderiapplikationer, därspecifika strukturella egenskaper hos biopolymeren bevaras.Slutligen användes naturliga ligninfraktioner extraherade meddessa milda protokoll för framställning av ligninnanopartiklar föratt visa upp deras potential i avancerade applikationer. Vidarestuderades också betydelsen av omodifierat lignin i egenskapernahos aerogelapplikationer i trä, och inkluderades i dennaavhandling för att visa att modifiering eller till och med borttagningav lignin inte alltid är nödvändigt för att erhålla material medegenskaper som är konkurrenskraftiga till deras fossilbaseradeanaloger.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2023. p. 69
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2023:23
Keywords
lignin, biomass valorization, extraction, tissue culture, lignin nanoparticles, wood aerogels, lignin, biomassavalorisering, extraktion, vävnadsodling, lignin nanopartiklar, trä aerogeler
National Category
Wood Science
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-326773 (URN)978-91-8040-589-8 (ISBN)
Public defence
2023-06-14, D3, Lindstedtsvägen 9, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 2023-05-15

Embargo godkänt av tf skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2023-05-13

Available from: 2023-05-15 Created: 2023-05-11 Last updated: 2023-06-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6488 kB)57 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6488 kBChecksum SHA-512
e00430ae2ae8868b21611e29ed0869c0fc8fa3444e99398955d7682cac8b85ef1ff52177a6ec877150bec78b2d55e8342c1f86b27e372b309ae17f5428c74c63
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Garemark, JonasRam, FarsaLiu, LianlianSapouna, IoannaCortes Ruiz, Maria F.Larsson, Per TomasLi, Yuanyuan

Search in DiVA

By author/editor
Garemark, JonasRam, FarsaLiu, LianlianSapouna, IoannaCortes Ruiz, Maria F.Larsson, Per TomasLi, Yuanyuan
By organisation
BiocompositesWallenberg Wood Science CenterGlycoscienceFibre TechnologyWallenberg Wood Science CenterFibre TechnologyWood Chemistry and Pulp Technology
In the same journal
Advanced Functional Materials
Materials Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 57 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 550 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf