Quaternized Silk Nanofibrils for Electricity Generation from Moisture and Ion Rectification

丝绸 材料科学 蜘蛛丝 离子键合 纳米技术 复合材料 离子 化学 有机化学
作者
Weiqing Yang,Lili Lv,Xiankai Li,Han Xiao,Mingjie Li,Chaoxu Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 10600-10607 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c04686
摘要

Protein nanostructures in living organisms have attracted intense interests in biology and material science owing to their intriguing abilities to harness ion transportation for matter/signal transduction and bioelectricity generation. Silk nanofibrils, serving as the fundamental building blocks for silk, not only have the advantages of natural abundance, low cost, biocompatibility, sustainability, and degradability but also play a key role in mechanical toughness and biological functions of silk fibers. Herein, cationic silk nanofibrils (SilkNFs), with an ultrathin thickness of ∼4 nm and a high aspect ratio up to 500, were successfully exfoliated from natural cocoon fibers via quaternization followed by mechanical homogenization. Being positively charged in a wide pH range of 2–12, these cationic SilkNFs could combine with different types of negatively charged biological nanofibrils to produce asymmetric ionic membranes and aerogels that have the ability to tune ion translocation. The asymmetric ionic aerogels could create an electric potential as high as 120 mV in humid ambient air, whereas asymmetric ionic membranes could be used in ionic rectification with a rectification ratio of 5.2. Therefore, this green exfoliation of cationic SilkNFs may provide a biological platform of nanomaterials for applications as diverse as ion electronics, renewable energy, and sustainable nanotechnology.
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