纤维素纳米纤维生物模板复合气凝胶的合成方法

提出了纤维素纳米纤维生物模板复合气凝胶的合成方法。由此产生的复合气凝胶材料为催化、传感和氢气储存应用提供了潜力。

该方法使用纤维素纳米纤维生物聚合物共价水凝胶实现铂金气凝胶复合材料，可推广到各种生物聚合物模板和金属中。这种复合气凝胶合成方法使用纤维素纳米纤维作为生物模板，以实现对帕利姆金属纳米结构和大微氧体整体形状的控制。生物镀金属气凝胶的形状控制和机械完整性应有助于催化、储能和传感的应用。

该方法可应用于进一步开发生物聚合物碳金属模板，实现复合气凝胶材料三维纳米结构的更好控制。要准备纤维素纳米纤维溶液，首先将1.5克碳氧甲基纤维素纳米纤维与50毫升去硫化水混合。摇动后，将溶液旋转一分钟，随后在环境温度下在沐浴声波器中孵育24小时，以确保完全混合。

第二天早上，加入0.959克EDC和0.195克 MES 缓冲液至 2.833 毫升去维化水。然后，将最终体积调整为 10 毫升，用一摩尔盐酸和去维水将 pH 调为 4.5。接下来，将 3%纤维素纳米纤维溶液的 0.25 毫升转移到 6 个微富管中，通过离心沉淀纳米纤维。

使用移液器吸气压压的纳米纤维上方的过量水，同时避免与顶部表面接触。在每个微混管中压实的纤维素纳米纤维之上加入一毫升EDC和二胺交联溶液。等待至少 24 小时，让交联溶液通过凝胶扩散，以交联纤维素纳米纤维。

然后，从微混液管中吸出交联溶液上流剂，将微混液管浸入一升脱硫水中至少24小时，盖打开，从纳米纤维水凝胶中去除多余的交联溶液。第二天，在脱硫水中加入约0.5毫升的3%纤维素纳米纤维溶液，加入四联变红外光谱仪的样品阶段，扫描650至4000厘米的透射率。为了准备铂溶液，在将溶液稀释至1毫升，在一、10、50、100、500和1000毫升浓度下，将氯化铵的10毫升或10毫升。

接下来，在单个纤维素纳米纤维水凝胶样品的顶部加入每一毫升的稀释剂，使铂溶液在水凝胶内平衡24小时。第二天，在烟罩中，将60毫升的双摩尔二摩尔钠和移液器制成6个15毫升锥形管，然后将平衡的纤维素纳米纤维水凝胶管转移到烟气罩中。佩戴适当的个人防护设备，倒置一根微离心管，轻轻敲击管内去除水凝胶，用扁平钳子将水凝胶转移到一管波罗氢钠中。

24 小时后，将每个还原的水凝胶转移到第二个 24 小时、0.5 摩尔氢化钠还原溶液中，然后再将纤维素纳米纤维-铂金复合凝胶在 50 毫升的去离子水中重新入质。12 小时后更换去化水，让凝胶至少再冲洗 12 小时。然后，使用扁平钳子将冲洗过的纤维素纳米纤维-铂凝胶转移到连续的 50 毫升体积 25%50%75%和 100%乙醇溶液中，每个溶液至少六小时。

最后一次溶剂交换后，用二氧化碳将水凝胶干燥在超临界干燥机中，设定点为35摄氏度，每平方英寸为1200磅。干燥完成后，让腔室平衡至少 12 小时，然后打开干燥器以去除气凝胶。要通过扫描电子显微镜来描述复合气凝胶，请使用剃须刀刀片将每个凝胶切成一到两毫米厚的部分，并使用碳胶带将薄膜样品固定到扫描电子显微镜样品存根上。

将存根加载到显微镜上，并使用 15 千伏的初始加速电压和 2.7 至 5.4 皮安的初始束流对样品进行成像。要通过 X 射线衍射分析分析气凝胶，请将纤维素纳米纤维-铂气凝胶放在样品架中，然后将气凝胶的顶部与气凝胶的顶部对齐。然后，执行 X 射线衍射扫描，以 X 射线衍射扫描 2 个 5 度到 90 度的衍射角度，在 45 千伏和 40 毫安铜 K-alpha 辐射下，两个 theta 步长为 0130 度，每步 20 秒。

对于热重力分析，请将气凝胶样品放在仪器熔炉中，然后以每分钟 60 毫升流动氮气进行分析，以每分钟 10 度的速度从环境温度加热到 700 摄氏度。对于氮气吸附-吸附，在室温下将样品脱气24小时，然后使用零下196摄氏度的氮气作为测试气体，吸附和吸附时间分别达到60秒和120秒。对于电化学表征，将气凝胶样品浸入 0.5 摩尔硫酸电解质中 24 小时，然后放置一毫米外露尖端与电化学瓶底部气凝胶顶部表面接触的涂漆线。

然后，使用带银/氯化银0.5毫米直径铂线辅助计数器电极和涂漆0.5毫米直径的铂工作电极的三电极电池进行电化学阻抗光谱 从一兆赫到一毫赫，具有 10 毫伏正弦波和循环电压，电压范围为负 0.2 至 1.2 伏，扫描速率为 10， 25， 50 毫伏/秒。50 毫伏和 75 毫伏/ 秒。四位转换红外光谱可以执行，如证明确认纤维素纳米纤维水凝胶交联。在这里，在平衡一系列氯化铵或氯化钠浓度之前和之后，共价交联纤维素纳米纤维水凝胶。

在这里，减少纤维素纳米纤维-铂凝胶显示之前和之后超临界气凝胶复合干燥。一般来说，气凝胶呈现相互连接的纤维韧带与不断增加的纳米粒子尺寸，通过扫描电子显微镜与增加铂溶液浓度相关。随着铂钠和氢化物的X射线衍射光谱的不断增加，直到光谱在1000毫摩尔时不再可分辨，与扫描电子显微镜观察到的纳米粒子直径的增加有关。

热重力光谱分析表明，随着合成铂溶液浓度的增加，纤维素纳米纤维-铂复合气凝胶中的金属含量不断增加。物理吸附数据表明IV型吸附-脱吸等温，表明中孔和大孔结构，巴雷特-乔伊纳-哈伦达孔径分析表明，随着气凝胶铂含量的增加，中孢子的频率会降低。电化学阻抗光谱说明了纤维素纳米纤维-铂复合气凝胶的低电荷转移电阻和双层电容。

此外，循环电压扫描显示氢吸附和脱吸电位低于零伏特，以及大于 0.5 伏特的铂的特征氧化和还原峰值。请记住，用水和乙醇的增量浓度冲洗凝胶，因为大浓度差异导致的渗透肿胀可能会破裂水凝胶。将石墨烯和碳纳米管等材料结合到复合生物模板中，可以实现更高的气凝胶机械耐用性和导电性。

使用纤维素纳米纤维共价水凝胶实现多孔金属复合气凝胶为各种外形的其他惰性金属和过渡金属材料提供了合成途径。高浓度的水性氢化钠会导致可燃氢气的产生。在通风良好的区域，远离明火，以电化学方法减少样品非常重要。