MS
Maria Strömme
Author with expertise in Materials for Electrochemical Supercapacitors
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Ultrafast All-Polymer Paper-Based Batteries

Gustav Nyström et al.Sep 9, 2009
Conducting polymers for battery applications have been subject to numerous investigations during the last two decades. However, the functional charging rates and the cycling stabilities have so far been found to be insufficient for practical applications. These shortcomings can, at least partially, be explained by the fact that thick layers of the conducting polymers have been used to obtain sufficient capacities of the batteries. In the present letter, we introduce a novel nanostructured high-surface area electrode material for energy storage applications composed of cellulose fibers of algal origin individually coated with a 50 nm thin layer of polypyrrole. Our results show the hitherto highest reported charge capacities and charging rates for an all polymer paper-based battery. The composite conductive paper material is shown to have a specific surface area of 80 m2 g−1 and batteries based on this material can be charged with currents as high as 600 mA cm−2 with only 6% loss in capacity over 100 subsequent charge and discharge cycles. The aqueous-based batteries, which are entirely based on cellulose and polypyrrole and exhibit charge capacities between 25 and 33 mAh g−1 or 38−50 mAh g−1 per weight of the active material, open up new possibilities for the production of environmentally friendly, cost efficient, up-scalable and lightweight energy storage systems.
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Cellulose Nanofiber @ Conductive Metal–Organic Frameworks for High-Performance Flexible Supercapacitors

Shengyang Zhou et al.Jul 11, 2019
Conductive metal-organic frameworks (c-MOFs) show great potential in electrochemical energy storage thanks to their high electrical conductivity and highly accessible surface areas. However, there are significant challenges in processing c-MOFs for practical applications. Here, we report on the fabrication of c-MOF nanolayers on cellulose nanofibers (CNFs) with formation of nanofibrillar CNF@c-MOF by interfacial synthesis, in which CNFs serve as substrates for growth of c-MOF nanolayers. The obtained hybrid nanofibers of CNF@c-MOF can be easily assembled into freestanding nanopapers, demonstrating high electrical conductivity of up to 100 S cm-1, hierarchical micromesoporosity, and excellent mechanical properties. Given these advantages, the nanopapers are tested as electrodes in a flexible and foldable supercapacitor. The high conductivity and hierarchical porous structure of the electrodes endow fast charge transfer and efficient electrolyte transport, respectively. Furthermore, the assembled supercapacitor shows extremely high cycle stability with capacitance retentions of >99% after 10000 continuous charge-discharge cycles. This work provides a pathway to develop flexible energy storage devices based on sustainable cellulose and MOFs.
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A Nanocellulose Polypyrrole Composite Based on Microfibrillated Cellulose from Wood

Gustav Nyström et al.Mar 5, 2010
It is demonstrated that it is possible to coat the individual fibers of wood-based nanocellulose with polypyrrole using in situ chemical polymerization to obtain an electrically conducting continuous high-surface-area composite. The experimental results indicate that the high surface area of the water dispersed material, to a large extent, is maintained upon normal drying without the use of any solvent exchange. Thus, the employed chemical polymerization of polypyrrole on the microfibrillated cellulose (MFC) nanofibers in the hydrogel gives rise to a composite, the structure of which—unlike that of uncoated MFC paper—does not collapse upon drying. The dry composite has a surface area of ∼90 m2/g and a conductivity of ∼1.5 S/cm, is electrochemically active, and exhibits an ion-exchange capacity for chloride ions of 289 C/g corresponding to a specific capacity of 80 mAh/g. The straightforwardness of the fabrication of the present nanocellulose composites should significantly facilitate industrial manufacturing of highly porous, electroactive conductive paper materials for applications including ion-exchange and paper-based energy storage devices.
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Surface Modified Nanocellulose Fibers Yield Conducting Polymer-Based Flexible Supercapacitors with Enhanced Capacitances

Zhaohui Wang et al.Jun 17, 2015
We demonstrate that surface modified nanocellulose fibers (NCFs) can be used as substrates to synthesize supercapacitor electrodes with the highest full electrode-normalized gravimetric (127 F g(-1)) and volumetric (122 F cm(-3)) capacitances at high current densities (300 mA cm(-2) ≈ 33 A g(-1)) until date reported for conducting polymer-based electrodes with active mass loadings as high as 9 mg cm(-2). By introducing quaternary amine groups on the surface of NCFs prior to polypyrrole (PPy) polymerization, the macropore volume of the formed PPy-NCF composites can be minimized while maintaining the volume of the micro- and mesopores at the same level as when unmodified or carboxylate groups functionalized NCFs are employed as polymerization substrates. Symmetric, aqueous electrolyte-based, devices comprising these porosity-optimized electrodes exhibit device-specific volumetric energy and power densities of 3.1 mWh cm(-3) and 3 W cm(-3) respectively; which are among the highest values reported for conducting polymer electrodes in aqueous electrolytes. The functionality of the devices is verified by powering a red light-emitting diode with the device in different mechanically challenging states.
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An All-Organic Proton Battery

Rikard Emanuelsson et al.Mar 15, 2017
Rechargeable batteries that use organic matter as the capacity-carrying material have previously been considered a technology for the future. Earlier batteries in which both the anode and cathode consisted of organic material required significant amounts of conductive additives and were often based on metal-ion electrolytes containing Li+ or Na+. However, we have used conducting poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), functionalized with anthraquinone (PEDOT-AQ) or benzonquinone (PEDOT-BQ) pendant groups as the negative and positive electrode materials, respectively, to make an all-organic proton battery devoid of metals. The electrolyte consists of a proton donor and acceptor slurry containing substituted pyridinium triflates and the corresponding pyridine base. This slurry allows the 2e-/2H+ quinone/hydroquinone redox reactions while suppressing proton reduction in the battery cell. By using strong (acidic) proton donors, the formal potential of the quinone redox reactions is tuned into the potential region in which the PEDOT backbone is conductive, thus eliminating the need for conducting additives. In this all-organic proton battery cell, PEDOT-AQ and PEDOT-BQ deliver 103 and 120 mAh g-1, which correspond to 78% and 75%, respectively, of the theoretical specific capacity of the materials at an average cell potential of 0.5 V. We show that PEDOT-BQ determines the cycling stability of the device while PEDOT-AQ provides excellent reversibility for at least 1000 cycles. This proof-of-concept shows the feasibility of assembling all-organic proton batteries which require no conductive additives and also reveals where the challenges and opportunities lie on the path to producing plastic batteries.
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Cellulose‐based Supercapacitors: Material and Performance Considerations

Zhaohui Wang et al.May 9, 2017
One of the biggest challenges we will face over the next few decades is finding a way to power the future while maintaining strong socioeconomic growth and a clean environment. A transition from the use of fossil fuels to renewable energy sources is expected. Cellulose, the most abundant natural biopolymer on earth, is a unique, sustainable, functional material with exciting properties: it is low‐cost and has hierarchical fibrous structures, a high surface area, thermal stability, hydrophilicity, biocompatibility, and mechanical flexibility, which makes it ideal for use in sustainable, flexible energy storage devices. This review focuses on energy storage applications involving different forms of cellulose (i.e., cellulose microfibers, nanocellulose fibers, and cellulose nanocrystals) in supercapacitors, with particular emphasis on new trends and performance considerations relevant to these fields. Recent advances and approaches to obtaining high capacity devices are evaluated and the limitations of cellulose‐based systems are discussed. For the first time, a combination of device‐specific factors such as electrode structures, mass loadings, areal capacities, and volumetric properties are taken into account, so as to evaluate and compare the energy storage performance and to better assess the merits of cellulose‐based materials with respect to real applications.
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A Size‐Exclusion Nanocellulose Filter Paper for Virus Removal

Giorgi Metreveli et al.Mar 31, 2014
This is the first time a 100% natural, unmodified nanofibrous polymer-based membrane is demonstrated capable of removing viruses solely based on the size-exclusion principle, with a log10 reduction value (LRV) ≥ 6.3 as limited by the assay lower detection limit and the feed virus titre, thereby matching the performance of industrial synthetic polymer virus removal filters. Here, we present a non-woven, μm-thick filter paper, consisting of pristine highly crystalline cellulose nanofibers and featuring a tailored pore size distribution particularly suitable for virus removal. To our knowledge, this is the first time a 100% natural, unmodified nanofibrous polymer-based membrane is demonstrated capable of removing virus particles solely based on the size-exclusion principle, with log10 reduction value (LRV) ≥ 6.3, thereby matching the performance of industrial synthetic polymer virus removal filters. The threat of the next great influenza virus pandemic is worrying as in the past millions of people died from its outbreaks. The problem is aggravated by the frequent mutations, which undermine the development of efficient vaccines against influenza virus. Therefore, in order to minimize the risks associated with pandemic, efficient, robust and affordable (air-borne) virus removal filters are highly demanded for prevention of spreading viruses in hospitals, transportation hubs, schools, or other venues with high human turn-over. Influenza virus is also well adapted to survive in aquatic environments,1 and can replicate and transmit via waterland birds.2 Furthermore, robust and affordable virus removal filters are also demanded by the biotechnology industry as there are hundreds of products possessing the potential risk of viral infection, including cell-derived monoclonal antibodies, plasma-derived coagulation factors (e.g., factors VIII and IX) and immunoglobulins, or proteins manufactured with processes that employ viruses as biological expression systems, e.g., human or animal vaccines.3 Absence of viral contamination further needs to be ensured for all types of therapeutic proteins, for example, human antithrombin III, derived from the milk of transgenic mammals.4 Since cell cultures and explants are often cultivated in serum-derived media, both endogenous retroviruses and adventitious viral contaminants introduced during manufacturing also constitute a risk factor, for example, bovine viral diarrhoea virus, bovine parainfluenza 3 virus (PI-3), parvoviruses.[3] The threat of viral contamination of biotechnology products is manifold, including active human infection, for instance, human immunodeficiency virus (HIV), hepatitis C (HVC), and enhanced oncogenic risk due to dormant infection, for example, avian leucosis virus.[3] In addition, the advances in viral vectors of gene delivery to cure cancer stipulate the development of purification techniques wherein the non-immunogenic virus particles can be efficiently separated from proteins and other cell debris during production.[3] Virus removal can be achieved by several means, for example, filtration (depth filtration or surface screening), partitioning and fractionation (centrifugation), and chromatography (ion-exchange, affinity, gel-permeation).[3],5 Filtration is attractive because it is both non-destructive and non-interfering, that is, does not compromise the integrity of biological samples and does not cause immune reactions. There are several parameters, which can influence the efficiency of the filtration process such as virus size, filter pore size distribution, filter thickness, pore tortuosity, number of filter layers, surface charge, surface chemistry as well as feed stream pH and ionic strength.5 With respect to robustness, size-exclusion filtration is the method of choice since it is theoretically not restricted by the process parameters, as opposed to, for example, adsorptive entrapment (also known as interception).[3],5, 6 The materials used for virus filtration typically include various synthetic and semisynthetic polymers (e.g., polyvinylidene difluoride (PVDF), cuprammonium-regenerated cellulose, cellulose acetate, and polycarbonate) as well as ceramic filters.[3] The ceramic filters are usually non-disposable, heavy, brittle, and costly (about 10 times more expensive than synthetic polymer membranes) and therefore less common.[3] The majority of virus removal filters are synthetic or semisynthetic polymers, and these filters are typically produced via phase-inversion processing requiring hazardous solvents and coagulants with rigorously controlled processing parameters and pore annealing to obtain desired narrow pore size distribution suitable for virus removal. To our knowledge, there are currently no virus removal membranes made from a single, 100% unmodified natural polymer and featuring virus removal efficiency matching that of industrial synthetic or semisynthetic polymers, viz. LRV ≥ 6–7 (for large viruses), while allowing for protein passage.[3],[3],5 Cellulose is a valuable industrial commodity thanks to its widespread availability in nature, renewability, mechanical strength, flexibility, inertness, and biodegradability. With respect to filtration applications, cellulose is attractive because it is inert, non-toxic, hydrophilic, resistant to pH between 2 and 11, thermally stable (i.e., can be sterilized by autoclaving), cost efficient, and disposable. Normal filter paper has too large pores to retain viruses; however, it can be surface modified to impart virus interception properties.7 The advances in nanotechnology have stirred the interest in the development of nanocellulose-based virus removal filters focusing mainly on the adsorptive type filters acting via electrostatic interactions rather than size exclusion.8 Furthermore, the reported membranes were composite materials of nanocellulose whiskers with, e.g., polyacrylonitrile/poly(ethylene terphtalate)8 since pure nanocellulose irreversibly agglomerates into a compact, essentially non-porous mass upon dewatering, a process known as cellulose hornification.9 In order to avoid hornification, critical-point drying, solvent exchange, or lyophilization are used to produce the so-called porous aerogels of nanocellulose.9 However, the high costs associated with the processing (e.g., liquid carbon dioxide) are still an impediment for large-scale industrial production of nanocellulose aerogels. Probably, the only known nanocellulose material, which retains its large surface area and porosity upon conventional drying, is nanocellulose from filamentous green algae, for instance, Cladophora algae, which is related to the structural peculiarities of this material such as superior degree of crystallinity, stiffness, and large thickness of its elementary fibrils as compared to, for example, land-plant-derived nanocelluloses.10 The Cladophora cellulose has been studied in several applications such as paper batteries,11 electrochemically controlled DNA extraction membranes,12 hemodialysis membranes,13 drug delivery vehicles,14 and rheology enhancers.15 Although it has been known that Cladophora cellulose membranes feature pore size distribution between 2 and 200 nm, as derived from N2 gas adsorption and Hg intrusion studies,[13],16 dedicated studies on tailoring the pore size distribution in the region suitable for virus removal have not been performed. In this paper, by using a conventional household heat-press to dry the wet pulp, we show that one can obtain a pure nanocellulose filter paper featuring an average pore size of 19 nm and specific surface area of 88 m2 g−1 as derived from N2 gas adsorption experiments. As it is seen in Figure 1, the predominant majority of pores is ≤30 nm. The heat pressing of nanocellulose produced membranes having an average thickness of 70 μm and a total porosity of 35% (See Figure S1, Supporting Information). It is recognized that one of the most challenging tasks for designing virus removal membranes is tailoring the membrane upper pore size cut-off so that the filter retains viruses having a particle size between 12 and 300 nm while allowing for unhindered passage of proteins, which typically range between 4 and 12 nm in size.17 We have previously shown that proteins pass unhindered through membranes of Cladophora nanocellulose.[13] Therefore, the pore size distribution presented in this work is promising for virus filtration applications especially for large viruses ≥50 nm and could be enhanced further to include small viruses too, for example, by adjusting membrane thickness. In order to demonstrate the ability of nanocellulose filter paper to retain viruses, we first tested it using polystyrene latex beads tagged with fluorophore groups and having a bead size of 500, 100, and 30 nm, respectively. In order to avoid micro­cracks, the filtration was performed slowly by adjusting suction pressure to 10–15 kPa, with the corresponding hydraulic permeability of 50 ± 2 μL h−1 cm−2. In Figure 2 the polystyrene latex beads of varying size are seen stacked on the surface of the porous filter paper. The underlying cellulose nanofibers are clearly visible in Figure 2a,b, whereas the surface of the membrane is almost fully covered with small latex beads in Figure 2c. As it is seen in Figure 2b, the irregularly shaped pores in the membrane arise due to the interstices between nanofibers and generally are much smaller than 100 nm. In order to estimate the filter retention efficiency quantitatively, fluorescence intensity in the filtrate was compared to that of the start dispersion. Figure 3 shows the emission spectra related to the fluorophore groups tagged to each type of the latex bead. It was observed that the concentration of the fluorophores in the filtrate was below the detection limit and did not differ from that of the background for the pure solvent. Furthermore, upon filter examination, distinct coloration could be seen with an unarmed eye (see inserts in Figure 3a–c). It is thus concluded that the produced membranes are capable of surface screening the latex beads ≥30 nm, which correlates well with the upper pore size cut-off obtained from N2 gas adsorption analysis. Thus, the pore size distribution of the membrane remains more or less unchanged both in the dry and wet state, which is not surprising since it is known that the highly crystalline cellulose nanofibers do not swell.18 In order to further verify the size exclusion properties of the membrane, we tested the membrane retention properties with swine influenza virus (SIV) A as a model virus strain. SIV has a typical particle size of 80–120 nm in diameter and a spherical shape with characteristic hemagglutinin and neuraminidase protein structures extending outward from its surface. Table 1 summarizes the results of the SIV retention test, and Figure 1d depicts the electron microscopy image of SIV particles retained on the surface of the nanocellulose filter paper. Following the virus retention test, no infectious SIV particles were found in each of the triplicate 96-well plates in the filtrate. Because it is impossible to assert the absence of virus particles with certainty due to assay limitations, we assume that the log10 virus titre in the filtrate is ≤ 0.8 mL−1, viz. below the detection limit as calculated from the Kärber's formula. The corresponding virus removal probabilities are then LRV ≥ 5.2 or LRV ≥ 6.3 depending on the log10 titre value of the feed solution. For large viruses, that is, viruses with particle size ≥50 nm, the state of the art industrial filters exhibit LRV ≥ 6–7. Thus, it can be concluded that the nanocellulose filter presented here matches the retention efficiency of the industrial filters. This finding is remarkable considering that the green filamentous Cladophora sp. algae are a commonly known seasonal water-pollutant of coastal areas with a global negative environmental impact.10, 19 Further, the facile heat-pressing manufacturing method is appealing from the industrial point of view and can be adapted to the existing capacities for roll-to-roll paper making processes. Materials: Crystalline nanocellulose from Cladophora algae was supplied by FMC Biopolymer (G-3095–10 batch; USA). Fluorophore-tagged polystyrene latex beads of various size, viz. 30 nm (L5155; 2.5% solids; carboxylate-modified; yellow-green; λex ≈470 nm; λem ≈ 505 nm), 100 nm (L9902; 2.5% solids sulfonate-modified; red; λex ≈ 575 nm; λem ≈ 610 nm), and 500 nm (L1403; 2.5% solids; sulfonate-modified; orange; λex ≈ 520 nm; λem ≈ 540 nm), were used for retention tests as supplied by Sigma–Aldrich. Microorganisms: SIV A/swine/Sweden/9706/2010(H1N2) was used. Propagation of SIV was done by methods described previously,20 using Madin Darby Canine Kidney (MDCK) (ATCC CCL-34) cells. Membrane Preparation: About 300 mg of Cladophora was dispersed in deionized water using high-shear ultra sonic treatment (750 W; 20 kHz; 13 mm probe; Vibracell, Sonics, USA) for 10 min at 71% amplitude. The dispersed sample was then drained on a nylon filter having an average pore size distribution of 100 nm (R01SP09025; 90 mm; GE Water and Process Technologies). The collected cellulose mass was allowed to dry until slightly damp- just enough to allow the hydrogen bonds to form a coherent layer. Subsequently, the nylon support was easily delaminated using tweezers without affecting the integrity of the cellulose layer. The sample was then dried under load using a heat-press (Rheinstern, Germany) at 105 °C to produce a flat paper sheet. Pore Size Distribution: The pore size distribution of the produced membrane was measured according to the Barret-Joyner-Halenda (BJH) method from nitrogen gas adsorption isotherms using ASAP 2020 (Micromeritics, USA) instrument. Hydraulic Permeability: The rate of water flow through a 26 mm in diameter circular Cladophora cellulose membrane in a Büchner funnel was evaluated. The suction pressure was adjusted to 10 kPa. Scanning Electron Microscopy: Following the filtration of latex beads and SIV, the membranes were studied with a scanning electron microscope (Leo 1550 FEG-SEM, Zeiss). The membranes were sputtered with Au/Pd prior to analysis to avoid charging of the samples. Particle Retention Test: A suspension (5 μL) of uniform polystyrene latex beads (2.5% solids) was diluted in 10 mL of water. The diluted dispersion was filtered through a Cladophora cellulose membrane (26 mm in diameter) in a Büchner funnel. The suction pressure was adjusted to 10–15 kPa. The filtrate was collected, and the fluorescence intensity was measured using a fluorospectrophotometer (Tecan Infinite M200, Austria) at the specified excitation and emission wavelengths. Virus Retention Test: Prior to the virus retention test, the membranes were sterilized by autoclavation at 121 °C for 20 min. The tested samples were the stock, the feed, and the filtrate. The viruses were propagated as described earlier.20 The SIV feed solution was obtained by diluting the stock solution 10−1 with PBS. Twenty (20) mL of the produced SIV feed solution was filtered through Cladophora cellulose membrane (26 mm in diameter) in a Büchner funnel. The suction pressure was adjusted to 10–15 kPa, and the filtrate was subsequently collected. Another 10 mL of the diluted SIV feed solution was frozen in −70 °C to be used as the hold-control to measure the factual virus titre in the feed. The SIV titre was analyzed by the end-point titration through cytopathogenic effect (cpe). Standard 96-well plates containing MDCK cells were used in tenfold dilutions by assaying eight replicates of 50 μL per dilution.20 Negative controls were EMEM-trypsin and PBS-trypsin. The virus titres after 8 d were calculated according to Kärber21 and expressed as log10 tissue culture infectious dose TCID50 mL−1. The assay detection limit was 0.8 log10 of TCID50 mL−1, calculated according to the Kärber's method. One additional experiment was performed using the undiluted stock solution as the feed. G.M. and L.W. contributed equally to the first authorship. The authors thank Björn Syse for graphic design. The Bo Rydins Foundation, the Göran Gustafssons Foundation, and the FORMAS “Strong Research Environments” BioBridges 2011-1692 program are gratefully acknowledged for financial support. A.M. is Wallenberg Academy Fellow and thanks the Knut and Alice Wallenberg Foundation for their support. The license of this article was changed after online publication. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.
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Unveiling the Nature of lignin’s Interaction with Molecules: A Mechanistic Understanding of Adsorption of Methylene Blue Dye

Oleg Tkachenko et al.Jun 17, 2024
The valorization of lignin into advanced materials for water and soil remediation is experiencing a surge in demand. However, it is imperative that material research and manufacturing be sustainable to prevent exacerbating environmental issues. Meeting these requirements necessitates a deeper understanding of the role of lignin's functional groups in attracting targeted species. This research delves into the interaction mechanisms between lignin and organic molecules, using the adsorption of the cationic dye Methylene Blue (MB+) as a case study. Herein, we aim to quantitatively estimate the contribution of different interaction types to the overall adsorption process. While carbonyl groups were found to have no significant role in attraction, carboxylic groups (−COOH) exhibited significantly lower adsorption compared with hydroxyl groups (−OH). Through alternately blocking aliphatic and phenolic −OH groups, we determined that 61% of the adsorption occurred through hydrogen bonding and 38% via electrostatic interactions. Performance studies of modified lignin along with spectroscopic methods (XPS, FTIR) confirmed the negligible role of π–π interactions in adsorption. This study offers fundamental insights into the mechanistic aspects of MB adsorption on lignin, laying the groundwork for potential modifications to enhance the performance of lignin-based adsorbents. The findings underscore the importance of hydroxyl groups and provide a roadmap for future studies examining the influence of steric factors and interactions with other organic molecules.
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