Enhanced Ion-Selective Diffusion Achieved by Supramolecular Interaction for High Thermovoltage and Thermal Stability

Abstract

Thermoelectric (TE) generators capable of converting thermal energy into applicable electricity have gained great popularity among emerging energy conversion technologies. Biopolymer-based ionic thermoelectric (i-TE) materials are promising candidates for energy conversion systems because of their wide sources, innocuity, and low manufacturing cost. However, common physically crosslinked biopolymer gels induced by single hydrogen bonding or hydrophobic interaction suffer from low differential thermal voltage and poor thermodynamic stability. Here, we develop a novel i-TE gel with supramolecular structures through multiple noncovalent interactions between ionic liquids (ILs) and gelatin molecular chains. The thermopower and thermoelectric power factor of the ionic gels are as high as 2.83 mV K^-1 and 18.33 μW m^-1 K^-2, respectively. The quasi-solid-state gelatin-[EMIM]DCA i-TE cells achieve ultrahigh 2 h output energy density (E_2h = 9.9 mJ m^-2) under an optimal temperature range. Meanwhile, the remarkable stability of the supramolecular structure provides the i-TE hydrogels with a thermal stability of up to 80 ℃. It breaks the limitation that biopolymer-based i-TE gels can only be applied in the low temperature range and enables biopolymer-based i-TE materials to pursue better performance in a higher temperature range.

Keywords

biopolymer gel / ionic liquid / multiple noncovalent interactions / supramolecular structure / thermoelectric conversion

References

[1] G. J. Adekoya , O. C. Adekoya , R. E. Sadiku , S. S. Ray , Compos. Commun. 2021, 27, 100890.

[2] H. Zhang , H. Wang , X. Zhu , Y.-J. Qiu , K. Li , R. Chen , Q. Liao , Appl. Energy 2013, 112, 956.

[3] B. Orr , A. Akbarzadeh , M. Mochizuki , R. Singh , Appl. Therm. Eng. 2016, 101, 490.

[4] X. Wang , Y.-T. Huang , C. Liu , K. Mu , K. H. Li , S. Wang , Y. Yang , L. Wang , C.-H. Su , S.-P. Feng , Nat. Commun. 2019, 10, 4151.

[5] P. A. Lolos , E. D. Rogdakis , Energy 2009, 34, 457.

[6] J. Bao , L. Zhao , Renew. Sustain. Energy Rev. 2013, 24, 325.

[7] J. R. Sootsman , D. Y. Chung , M. G. Kanatzidis , Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 8616.

[8] X. Wu , N. Gao , H. Jia , Y. Wang , Chem. Asian J. 2021, 16, 129.

[9] L. Pan , X.-L. Shi , C. Song , W.-D. Liu , Q. Sun , C. Lu , Q. Liu , Y. Wang , Z.-G. Chen , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2202927.

[10] K. Li , L. Xu , Z. Li , Y. Wang , J. Wang , X. Qi , Q. Li , H. Wang , Nano Energy 2021, 84, 105902.

[11] S. Duan , N. Man , J. Xu , Q. Wu , G.-Q. Liu , X. Tan , H. Shao , K. Guo , X. Yang , J. Jiang , J. Mater. Chem. A 2019, 7, 9241.

[12] S. Perumal , M. Samanta , T. Ghosh , U. S. Shenoy , A. K. Bohra , S. Bhattacharya , A. Singh , U. V. Waghmare , K. Biswas , Joule 2019, 3, 2565.

[13] M. Guo , W. Zhai , J. Li , J. Zhu , F. Guo , Z. Liu , M. Liu , Y. Zhu , X. Dong , Y. Zhang , Q. Zhang , W. Cai , J. Sui , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2200407.

[14] M. Goel , M. Thelakkat , Macromolecules 2020, 53, 3632.

[15] P. Vaqueiro , A. V. Powell , J. Mater. Chem. 2010, 20, 9577.

[16] S. Han , F. Jiao , Z. U. Khan , J. Edberg , S. Fabiano , X. Crispin , Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703549.

[17] Y. Fang , H. Cheng , H. He , S. Wang , J. Li , S. Yue , L. Zhang , Z. Du , J. Ouyang , Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2004699.

[18] X. Wu , N. Gao , X. Zheng , X. Tao , Y. He , Z. Liu , Y. Wang , ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 27691.

[19] Z. Lei , W. Gao , W. Zhu , P. Wu , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2201021.

[20] E. D. Eastman , J. Am. Chem. Soc. 1928, 50, 283.

[21] M. M. I. Megat Hasnan , I. S. Mohd Noor , N. Nayan , M. K. Ahmad , S. Mohd Said , M. F. Mohd Sabri , M. F. Mohd Salleh , M. S. Mohamed Ali , R. Mohd Zin , Appl. Organomet. Chem. 2021, 35, e6268.

[22] H. Cheng , J. Ouyang , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001633.

[23] J. Liu , G. Ye , H. G. O. Potgieser , M. Koopmans , S. Sami , M. I. Nugraha , D. R. Villalva , H. Sun , J. Dong , X. Yang , X. Qiu , C. Yao , G. Portale , S. Fabiano , T. D. Anthopoulos , D. Baran , R. W. A. Havenith , R. C. Chiechi , L. J. A. Koster , Adv. Mater. 2021, 33, 2006694.

[24] I. H. Sajid , N. Aslfattahi , M. F. Mohd Sabri , S. M. Said , R. Saidur , M. F. Mohd Salleh , N. N. Nik Ghazali , S. W. Hasan , Electrochim. Acta 2019, 320, 134575.

[25] D. Zhao , H. Wang , Z. U. Khan , J. C. Chen , R. Gabrielsson , M. P. Jonsson , M. Berggren , X. Crispin , Energ. Environ. Sci. 2016, 9, 1450.

[26] M. Massetti , F. Jiao , A. J. Ferguson , D. Zhao , K. Wijeratne , A. Würger , J. L. Blackburn , X. Crispin , S. Fabiano , Chem. Rev. 2021, 121, 12465.

[27] D. Zhao , A. Martinelli , A. Willfahrt , T. Fischer , D. Bernin , Z. U. Khan , M. Shahi , J. Brill , M. P. Jonsson , S. Fabiano , X. Crispin , Nat. Commun. 2019, 10, 1093.

[28] H. Cheng , X. He , Z. Fan , J. Ouyang , Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901085.

[29] Z. Liu , H. Cheng , H. He , J. Li , J. Ouyang , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109772.

[30] I. H. Sajid , M. F. M. Sabri , S. M. Said , M. F. M. Salleh , N. N. N. Ghazali , R. Saidur , B. Subramaniam , S. W. Hasan , H. A. Jaffery , Energ. Conver. Manage. 2019, 198, 111813.

[31] T. Li , X. Zhang , S. D. Lacey , R. Mi , X. Zhao , F. Jiang , J. Song , Z. Liu , G. Chen , J. Dai , Y. Yao , S. Das , R. Yang , R. M. Briber , L. Hu , Nat. Mater. 2019, 18, 608.

[32] C.-G. Han , X. Qian , Q. Li , B. Deng , Y. Zhu , Z. Han , W. Zhang , W. Wang , S.-P. Feng , G. Chen , W. Liu , Science 2020, 368, 1091.

[33] H. Cheng , S. Yue , Q. Le , Q. Qian , J. Ouyang , J. Mater. Chem. A 2021, 9, 13588.

[34] Z. A. Akbar , J.-W. Jeon , S.-Y. Jang , Energ. Environ. Sci. 2020, 13, 2915.

[35] A. T. Young , O. C. White , M. A. Daniele , Macromol. Biosci. 2020, 20, e2000183.

[36] P. Phrotjanatharee , P. Siridamrong , N. Thamronganaskul , Key Eng. Mater. 2016, 695, 273.

[37] C. A. Acevedo , E. Sánchez , P. Díaz-Calderón , J. J. Blaker , J. Enrione , F. Quero , J. Appl. Polym. Sci. 2017, 134, 44772.

[38] J. H. Muyonga , C. G. B. Cole , K. G. Duodu , Food Hydrocoll. 2004, 18, 581.

[39] S. Farris , J. Song , Q. Huang , J. Agric. Food Chem. 2010, 58, 998.

[40] Z. Chen , Q. Gui , Y. Wang , Green Chem. 2021, 2, 346.

[41] J. Cui , Y. Li , D. Chen , T.-G. Zhan , K.-D. Zhang , Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2005522.

[42] O. Matsarskaia , F. Roosen-Runge , F. Schreiber , ChemPhysChem 2020, 21, 1742.

[43] M. Kowacz , A. Mukhopadhyay , A. L. Carvalho , J. M. S. S. Esperança , M. J. Romão , L. P. N. Rebelo , CrstEngComm 2012, 14, 4912.

[44] J. Smiatek , J. Phys. Condens. Matter 2017, 29, 233001.

[45] J. Dupont , J. Braz. Chem. Soc. 2004, 15, 341.

[46] M. Brehm , H. Weber , A. S. Pensado , A. Stark , B. Kirchner , Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 5030.

[47] M. Heydari Dokoohaki , A. R. Zolghadr , M. H. Ghatee , A. Klein , Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 27882.

[48] Z. Yang , J. Biotechnol. 2009, 144, 12.

[49] K. Fujita , D. R. MacFarlane , M. Forsyth , M. Yoshizawa-Fujita , K. Murata , N. Nakamura , H. Ohno , Biomacromolecules 2007, 8, 2080.

[50] B. Madhan , V. Subramanian , J. R. Rao , B. U. Nair , T. Ramasami , Int. J. Biol. Macromol. 2005, 37, 47.

[51] G. Singh , G. Singh , K. Damarla , P. K. Sharma , A. Kumar , T. S. Kang , A. C. S. Sustain , Chem. Eng. 2017, 5, 6568.

[52] A. R. Karimi , A. Khodadadi , A. C. S. Appl , Mater. Interfaces 2016, 8, 27254.

[53] Y. Wu , L. Zhang , Y. M. Jung , Y. Ozaki , Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2018, 189, 291.

[54] T. J. Simons , P. C. Howlett , A. A. J. Torriero , D. R. MacFarlane , M. Forsyth , J. Phys. Chem. C 2013, 117, 2662.

[55] P. Li , D. R. Paul , T.-S. Chung , Green Chem. 2012, 14, 1052.

[56] B. B. Doyle , E. G. Bendit , E. R. Blout , Biopolymers 1975, 14, 937.

[57] L. He , C. Mu , J. Shi , Q. Zhang , B. Shi , W. Lin , Int. J. Biol. Macromol. 2011, 48, 354.

[58] Q. He , Y. Huang , S. Wang , Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705069.

[59] S. Fakirov , Z. Sarac , T. Anbar , B. Boz , I. Bahar , M. Evstatiev , A. A. Apostolov , J. E. Mark , A. Kloczkowski , Colloid Polym. Sci. 1996, 274, 334.

[60] R. Rodríguez-Rodríguez , Z. Y. García-Carvajal , I. Jiménez-Palomar , J. A. Jimenez-Avalos , H. Espinosa-Andrews , J. Appl. Polym. Sci. 2019, 136, 47149.

[61] S. Seiffert , J. H. B. Sprakel , Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 909.

[62] K. Tao , J. O. Donnell , H. Yuan , E. U. Haq , S. Guerin , L. J. W. Shimon , B. Xue , C. Silien , Y. Cao , D. Thompson , R. Yang , S. A. M. Tofail , E. Gazit , Energ. Environ. Sci. 2020, 13, 96.

[63] Z. Fan , D. Du , X. Guan , J. Ouyang , Nano Energy 2018, 51, 481.

[64] G. S. Manning , J. Phys. Chem. 1984, 88, 6654.

[65] S. Huang , L. Hou , T. Li , Y. Jiao , P. Wu , Adv. Mater. 2022, 34, 2110140.

[66] F. Jiao , A. Naderi , D. Zhao , J. Schlueter , M. Shahi , J. Sundström , H. Gran-berg , J. Edberg , U. Ail , J. Brill , T. Lindström , M. Berggren , X. Crispin , J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16883.

[67] N. Kim , S. Lienemann , I. Petsagkourakis , D. Alemu Mengistie , S. Kee , T. Ederth , V. Gueskine , P. Leclère , R. Lazzaroni , X. Crispin , K. Tybrandt , Nat. Commun. 2020, 11, 1424.

[68] Q. Jiang , H. Sun , D. Zhao , F. Zhang , D. Hu , F. Jiao , L. Qin , V. Linseis , S. Fabiano , X. Crispin , Y. Ma , Y. Cao , Adv. Mater. 2020, 32, 2002752.

[69] J. Ostrowska-Czubenko , M. Pierog , M. Gierszewska-Drużyńska , J. Appl. Polym. Sci. 2013, 130, 1707.

RIGHTS & PERMISSIONS

2022 2022 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.