Name: 纤维素纳米纤维生物模板复合气凝胶的合成方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 27 s
Description: 学习利用纤维素纳米纤维生物模板合成钯复合气凝胶的方法，通过羧甲基纤维素与去离子水混合制备溶液，实现三维纳米结构控制。该方法适用于催化、储能和传感等多种应用领域。

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作者感谢美国陆军贝内特实验室的 Stephen Bartolucci 博士和 Joshua Maurer 博士提供扫描电子显微镜的使用支持。本研究得到了美国西点军校教员发展研究基金的资助。

&#8203;警告：使用前请查阅所有相关的安全数据表（SDS）。进行化学反应时应采取适当的安全措施，包括使用通风橱和个人防护装备（PPE）。快速产生的氢气可能导致反应管内压力升高，引起管盖弹出并喷溅溶液。请确保反应管始终保持敞开状态，并按实验方案要求朝向远离实验人员的方向。
1. 纤维素纳米纤维水凝胶的制备
<ol>
	<li>纤维素纳米纤维溶液的制备：将1.5 g羧甲基纤维素纳米纤维与50 mL去离子水混合，配制3%（w/w）的纤维素纳米纤维溶液。振荡溶液并涡旋1分钟。在室温下将溶液置于水浴超声仪中处理24小时，以确保充分混合。</li>
	<li>交联溶液的制备：首先将0.959 g EDC和0.195 g 2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）缓冲液加入2.833 mL去离子水中，涡旋混匀。然后加入0.167 mL乙二胺，再涡旋15秒。用1.0 M HCl和去离子水将最终体积调至10 mL，并将pH调节至4.5。 
	注意：最终交联溶液的浓度为0.5 M EDC、0.25 M乙二胺和0.1 M MES缓冲液。</li>
	<li>纤维素纳米纤维溶液的离心：取0.25 mL的3%（w/w）纤维素纳米纤维溶液，分别加入6个微量离心管（1.7 mL或2.0 mL）中。在21,000 × g条件下离心20分钟。用移液器小心移除压缩后的CNF上方多余的水，避免接触凝胶上表面。 
	注意：离心后，纤维素纳米纤维溶液会形成明显的界面，上层为澄清的上清液，下层为浓缩的CNF。通过去除多余水分，最终CNF浓度约为3.8%。</li>
	<li>纤维素纳米纤维水凝胶的交联：在每个微量离心管中，向已压缩的纤维素纳米纤维上方加入1.0 mL EDC与二胺交联溶液。静置至少24小时，使交联溶液充分扩散进入凝胶并完成CNF的交联反应。</li>
	<li>凝胶清洗：用移液器移除微量离心管中的交联溶液上清液。打开管盖，将含有交联CNF水凝胶的微量离心管浸入1 L去离子水中，浸泡至少24小时，以彻底清除水凝胶内部残留的交联试剂。</li>
	<li>傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：取约0.5 mL的3%（w/w）CNF水溶液，置于样品台上，扫描650–4000 cm-1范围内的透光率。采用相同的扫描条件，对步骤1.5中获得的CNF交联水凝胶样品进行重复检测。</li>
</ol>
2. 纤维素纳米纤维-钯复合水凝胶的制备
<ol>
	<li>制备 Pd(NH3)4Cl2 溶液。配制 10 mL 的 1.0 M Pd(NH3)Cl2 溶液。将溶液涡旋振荡 15 秒。将 1.0 M Pd(NH3)Cl2 溶液稀释为 1 mL 体积，浓度分别为 1、10、50、100、500 和 1000 mM。 
	注意：也可使用 1.0 M NaPdCl4 溶液及其相应稀释液，所得最终气凝胶结构相似。</li>
	<li>使纤维素纳米纤维水凝胶在钯溶液中平衡。用移液器将 1、10、50、100、500 和 1000 mM 的 Pd(NH3)Cl2 溶液各 1 mL 加入微量离心管中的纤维素纳米纤维水凝胶表面。静置至少 24 小时，使钯溶液在水凝胶内部达到平衡。</li>
	<li>制备 NaBH4 还原剂溶液。配制 60 mL 的 2 M NaBH4 溶液。将 NaBH4 溶液每 10 mL 分装至六个 15 mL 锥形管中。 
	注意：2 M NaBH4 溶液为高浓度还原剂溶液，应在化学通风橱内操作。溶液会自发分解并释放氢气。确保试管口朝向远离实验人员的方向，并穿戴适当的个人防护装备（PPE）。</li>
	<li>纤维素纳米纤维水凝胶上钯盐的第一次还原：将含有钯平衡后 CNF 水凝胶的微量离心管倒置，轻轻敲击以取出水凝胶。在化学通风橱内，使用平头镊子将每个钯平衡后的 CNF 水凝胶分别放入装有 10 mL NaBH4 溶液的 15 mL 锥形管中。让还原反应持续进行 24 小时。 
	注意：将钯平衡后的 CNF 凝胶放入 2 M NaBH4 溶液时，会产生剧烈的氢气释放。确保反应管保持开口状态且管口远离实验人员。</li>
	<li>制备第二次使用的 NaBH4 还原剂溶液。配制 60 mL 的 0.5 M NaBH4 溶液。将 NaBH4 溶液每 10 mL 分装至六个 15 mL 锥形管中。</li>
	<li>纤维素纳米纤维水凝胶上钯盐的第二次还原：在通风橱内，使用平头镊子将每个水凝胶从 2 M NaBH4 溶液中转移至 0.5 M NaBH4 溶液中。让还原反应继续进行 24 小时。 
	注意：在 2 M NaBH4 溶液中初步还原后的 CNF 凝胶在转移过程中具有足够的机械稳定性。但在溶液转移过程中仍应使用轻柔压力操作平头镊子，避免凝胶被压缩。</li>
	<li>清洗纤维素纳米纤维-钯复合凝胶。使用平头镊子将每个还原后的钯-CNF 凝胶转移至锥形管中的 50 mL 去离子水中。12 小时后更换去离子水，并继续清洗至少额外 12 小时。</li>
	<li>对纤维素纳米纤维-钯凝胶进行乙醇溶剂置换。使用平头镊子将清洗后的 CNF-钯凝胶依次转移至 50 mL 的 25%、50%、75% 和 100% 乙醇溶液中，每种溶液中至少浸泡 6 小时。</li>
</ol>
3. 气凝胶制备
<ol>
	<li>用乙醇进行溶剂置换后，在设定为35 °C和1200 psi的超临界干燥器中使用CO2对CNF-钯凝胶进行干燥。超临界干燥完成后，需让干燥腔室平衡至少12小时，然后再打开并取出气凝胶。 
	注意：偶尔观察到500 mM和1000 mM样品在从超临界干燥器中取出时发生燃烧，这归因于存在钯氢化物。超临界腔室12小时的平衡时间旨在使氢气充分释放。</li>
</ol>
4. 复合气凝胶材料的表征
<ol>
	<li>扫描电子显微镜（SEM）：使用剃刀将纤维素纳米纤维-钯气凝胶切割成约1 - 2 mm厚的薄片。用导电碳胶带将薄片样品固定在SEM样品台。初始成像时采用15 kV的加速电压和2.7 - 5.4 pA的束流。</li>
	<li>X射线衍射（XRD）：将纤维素纳米纤维-钯气凝胶放入样品 holder 中，并使气凝胶顶部与 holder 顶部对齐。或者，将第4.1步中的薄片样品置于玻璃载片上。使用Cu Kα辐射（1.54060 Å），在45 kV和40 mA条件下，对衍射角2Θ从5°到90°进行XRD扫描，2θ步长为0.0130°，每步持续20秒。</li>
	<li>热重分析（TGA）：将气凝胶样品放入仪器坩埚中。以60 mL/min的氮气流速进行分析，从室温以10 °C/min的升温速率加热至700 °C。</li>
	<li>氮气吸附-脱附分析：在室温下对样品脱气24小时。 
	注意：不建议采用较高的脱气温度，以避免纤维素纳米纤维分解。使用-196 °C的氮气作为测试气体，吸附和脱附的平衡时间分别为60秒和120秒。</li>
	<li>电化学表征。
	<ol>
		<li>将气凝胶样品浸入0.5 M H2SO4电解液中24小时。</li>
		<li>采用三电极体系，其中参比电极为Ag/AgCl（3 M NaCl），辅助/对电极为直径0.5 mm的铂丝，工作电极为涂有绝缘漆的直径0.5 mm铂电极。将涂有绝缘漆、顶端暴露1 mm的铂丝与电化学小瓶底部的气凝胶上表面接触12。</li>
		<li>进行电化学阻抗谱（EIS）测试，频率范围为1 MHz至1 mHz，施加10 mV正弦波信号。</li>
		<li>进行循环伏安法（CV）测试，电压范围为−0.2至1.2 V（相对于Ag/AgCl），扫描速率分别为10、25、50、75和100 mV/s。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

此处介绍的贵金属纤维素纳米纤维生物模板化气凝胶合成方法可制备出具有可调金属成分的稳定气凝胶复合材料。离心后的纤维素纳米纤维经共价交联形成水凝胶，使其在后续的钯离子平衡、电化学还原、洗涤、溶剂置换及超临界干燥等合成步骤中均具备良好的机械耐久性。由于电化学还原步骤中涉及高浓度（2 M NaBH₄）环境，水凝胶的稳定性在此过程中尤为关键。4还原剂溶液的用量，从而避免剧烈的氢气释放。本研究中使用的市售TEMPO氧化纤维素纳米纤丝含有名义上的-COO⁻-Na+&#160;分子量&#160;纤维素纳米纤维的取代度为1.2 mmol/g，其长度和宽度分别约为300 nm和10 nm；3%（w/w）溶液的pH值为5。可能由于纤维长度较短，在3%（w/w）及更低浓度下交联未能形成稳定的水凝胶。将3%（w/w）溶液离心以压缩纤维，使其浓度提高至约3.8%（w/w），结果得到&#160;在交联良好的水凝胶中，这些水凝胶在钯的电化学还原步骤期间保持稳定。高浓度 NaBH₄4 浓度对于驱动还原剂扩散进入水凝胶生物模板是必要的。该合成方法的一个关键优势在于能够保持水凝胶的共价宏...

气凝胶最初由Kistler报道，其多孔结构的密度远低于相应块体材料，相差数个数量级1,2,3。贵金属气凝胶因其在能源与动力、催化及传感应用中的潜力而受到科学界关注。近年来，贵金属气凝胶主要通过两种基本策略合成。一种策略是诱导预先形成的纳米颗粒发生聚结4,5,6,7。纳米颗粒的溶胶-凝胶聚结可由连接分子、溶液离子强度的变化或简单的纳米颗粒表面自由能最小化驱动7,8,9。另一种策略是从金属前驱体溶液出发，通过一步还原直接形成气凝胶9,10,11,12,13。该方法也被用于制备双金属及合金型贵金属气凝胶。第一种策略通常较慢，纳米颗粒聚结可能需要长达数周时间14。而直接还原法虽然通常更快，但在宏观气凝胶整料的形貌控制方面效果较差。
为解决贵金属气凝胶宏观形貌和纳米结构控制方面的挑战，一种可能的合成策略是采用生物模板法15。生物模板法利用从胶原蛋白、明胶、DNA、病毒到纤维素等多种生物分子作为形貌导向模板来合成纳米结构，所得金属基纳米结构将继承生物模板分子的几何形态16,17。纤维素纳米纤维因其原料来源丰富、具有高长径比的线性几何结构，以及能够对其葡萄糖单体进行化学功能化修饰等优势，成为一种极具吸引力的生物模板材料18,19,20,21,22,23。纤维素纳米纤维（CNF）已被用于合成三维TiO2纳米线以制备光电阳极24，合成银纳米线用于透明纸基电子器件25，以及制备用于催化的钯气凝胶复合材料26。此外，TEMPO氧化的纤维素纳米纤维在制备负载钯的CNF气凝胶过程中，既可作为生物模板，也可同时充当还原剂27。
本文介绍了一种合成纤维素纳米纤维生物模板钯复合气凝胶的方法26。目前多种贵金属气凝胶的合成方法普遍存在气凝胶结构脆弱、形貌控制性差的问题。利用羧甲基化纤维素纳米纤维（CNFs）形成共价交联水凝胶，可在CNFs上原位还原钯等金属离子，从而在超临界干燥后实现对纳米结构和宏观气凝胶整体形貌的双重控制。CNF之间的交联通过在乙二胺作为连接分子的存在下，使用1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）实现。CNF水凝胶在整个合成过程中保持其原始形状，包括共价交联、与前驱离子平衡、高浓度还原剂下的金属还原、水洗、乙醇溶剂置换以及CO2超临界干燥等步骤。通过调节前驱离子浓度，可直接通过离子还原控制最终气凝胶中的金属含量，而无需依赖溶胶-凝胶法中预先形成的纳米颗粒相对缓慢的聚并过程。由于该方法依赖扩散作用将化学物质引入或移出水凝胶，因此适用于较小体积的块体结构和薄膜材料。对纤维素纳米纤维-钯复合气凝胶进行扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析、氮气吸附、电化学阻抗谱和循环伏安法表征，结果表明其具有高比表面积和金属化的多孔钯结构。

<table><tbody><tr><td>0.5 mm 铂丝电极</td><td>BASi</td><td>MW-4130</td><td>用作辅助电极，也可单独进行清漆涂覆后作为工作电极使用</td></tr><tr><td>1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>&amp;nbsp;1892-57-5</td><td></td></tr><tr><td>2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>117961-21-4&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Ag/AgCl（3M NaCl）参比电极</td><td>BASi</td><td>MF-2052</td><td></td></tr><tr><td>羧甲基纤维素、TEMPO 氧化纤维素纳米纤丝，干粉</td><td>缅因大学工艺开发中心</td><td>编号 8</td><td></td></tr><tr><td>乙醇，200 证明</td><td>PHARMCO-AAPER</td><td>241000200</td><td></td></tr><tr><td>乙二胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>&amp;nbsp;107-15-3</td><td></td></tr><tr><td>傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），Frontier</td><td>Perkin Elmer</td><td>L1280044</td><td></td></tr><tr><td>盐酸</td><td>CORCO</td><td>7647-01-0</td><td></td></tr><tr><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PdCl&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13820-40-1</td><td></td></tr><tr><td>NaBH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>16940-66-2</td><td></td></tr><tr><td>Pd(NH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;Cl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13933-31-8</td><td></td></tr><tr><td>电化学工作站</td><td>Biologic-USA</td><td>VMP-3</td><td>电化学分析—EIS、CV</td></tr><tr><td>扫描电子显微镜（SEM）Helios 600 Nanolab</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>超临界干燥仪</td><td>Leica</td><td>EM CPD300</td><td>使用 CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 进行气凝胶的超临界干燥</td></tr><tr><td>比表面积与孔隙分析仪</td><td>Quantachrome</td><td>NOVA 4000e</td><td>氮气吸附法</td></tr><tr><td>热重分析仪</td><td>TA instruments</td><td>TGA Q500</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>MTI</td><td>EQ-VGT-1860QTD</td><td></td></tr><tr><td>XRD</td><td>PanAlytical</td><td>Empyrean</td><td>X 射线衍射法</td></tr></tbody></table>

纤维素纳米纤维生物模板法制备钯复合气凝胶的方法

Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

本文介绍了一种合成纤维素纳米纤维生物模板化钯复合气凝胶的方法。贵金属气凝胶的合成方法通常会导致产物脆弱且宏观形状难以控制。通过使用羧甲基化纤维素纳米纤维（CNFs）形成共价交联的水凝胶，可在CNFs上还原钯等金属离子，并在超临界干燥后实现对纳米结构和宏观整体气凝胶形状的双重控制。羧甲基化纤维素纳米纤维的交联是在乙二胺存在下，使用1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）实现的。CNF水凝胶在整个合成过程中保持其原始形状，包括共价交联、与前驱离子平衡、高浓度还原剂下的金属还原、水洗、乙醇溶剂置换以及CO2超临界干燥等步骤。通过调节前驱体钯离子的浓度，可直接通过离子化学还原法控制最终气凝胶复合材料中的金属含量，而无需依赖其他溶胶-凝胶技术中常见的、由预先形成的纳米颗粒缓慢聚集而成的过程。由于该方法依赖扩散作用将化学物质引入或移出水凝胶，因此适用于较小体积的块状结构和薄膜材料。对纤维素纳米纤维-钯复合气凝胶进行扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析、氮气吸附、电化学阻抗谱和循环伏安法表征，结果表明其具有高比表面积和金属化的多孔钯结构。

在乙二胺存在下，使用EDC对纤维素纳米纤维进行共价交联的示意图见图1。EDC交联反应在羧基与伯胺官能团之间形成酰胺键。由于羧甲基纤维素纳米纤维仅含有可用于交联的羧基，因此需要乙二胺等二胺连接分子，通过两个酰胺键将两个相邻的CNF共价连接。为验证交联反应的发生，&#160;图2展示了3%（w/w）CNF溶液与在乙二胺存在下经&#160;1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride（EDC）&#160;交联后形成的CNF水凝胶的FTIR光谱。在进行FTIR分析前，CNF和交联CNF水凝胶均在去离子水中达到平衡状态。3%（w/w）CNF溶液在约3200至3600 cm-1范围内呈现一个宽峰，归属于O-H伸缩振动28。1595 cm-1处的显著峰可能归属于羧甲基纤维素纳米纤维上-COO-...

介绍了一种基于纤维素纳米纤维生物模板法制备钯复合气凝胶的合成方法。所得复合气凝胶材料在催化、传感以及氢气储存应用方面具有潜在价值。

本文介绍了一种利用纤维素纳米纤维生物模板合成钯复合气凝胶的方法。贵金属气凝胶的合成方法通常……

这种利用纤维素纳米纤维生物高分子共价水凝胶制备钯金属气凝胶复合材料的方法，可推广应用于多种生物高分子模板和金属。该复合气凝胶合成方法采用纤维素纳米纤维作为生物模板，可同时实现对钯金属纳米结构和宏观气凝胶整体形状的调控。生物模板化金属气凝胶的形状控制能力与机械完整性，有望促进其在催化、能量存储和传感等领域的应用。该方法可用于进一步开发生物聚合物碳金属模板，并实现对复合气凝胶材料中三维纳米结构的更好控制。制备纤维素纳米纤维溶液时，首先将1.5克羧甲基纤维素纳米纤维与50毫升去离子水混合。振荡后，将溶液涡旋震荡1分钟，随后在室温下置于浴式超声仪中孵育24小时，以确保充分混合。第二天早晨，将 0.959 克 EDC 和 0.195 克 MES 缓冲液加入 2.833 毫升去离子水中。然后，用 1 摩尔盐酸和去离子水将终体积调至 10 毫升，并将 pH 调整至 4.5。接着，将 0.25 毫升的 3% 纤维素纳米纤维溶液分别转移至六个微量离心管中，并通过离心沉淀纳米纤维。使用移液器吸取压实的纳米纤维上方多余的水分，注意避免接触表面。在每个微量离心管中压实的纤维素纳米纤维上方加入1毫升EDC和二胺交联溶液。静置至少24小时，使交联溶液充分扩散至凝胶中，以实现纤维素纳米纤维的交联。然后，从微量离心管中吸除交联溶液的上清液，将微量离心管开口浸入一升去离子水中至少24小时，以去除纳米纤维水凝胶中残留的过量交联溶液。次日，取约0.5毫升浓度为3%的纤维素纳米纤维去离子水溶液，加入傅里叶变换红外光谱仪的样品台，扫描650至4,000 cm⁻¹范围内的透光率。为配制钯溶液，先将10毫升1摩尔的氯化铵钯溶液涡旋震荡15秒，随后用去离子水将其稀释为1毫升体积，分别配制成1、10、50、100、500和1,000毫摩尔浓度的溶液。接下来，将每种稀释液各取一毫升加入到单独的纤维素纳米纤维水凝胶样品顶部，并让钯溶液在水凝胶中平衡24小时。第二天，在通风橱中准备60毫升的2摩尔硼氢化钠溶液，并用移液器将10毫升分别加入六个15毫升的锥形管中，然后将已与钯溶液平衡过的纤维素纳米纤维水凝胶样品管转移至通风橱内。佩戴适当的个人防护装备后，将一个微量离心管倒置并轻轻敲击，使水凝胶脱出，再用平头镊子将水凝胶转移至其中一管硼氢化钠溶液中。24小时后，将每块还原的水凝胶转移至第二轮24小时、0.5摩尔的硼氢化钠还原溶液中，随后在新的锥形管中用50毫升去离子水冲洗纤维素纳米纤维-钯复合凝胶。12小时后更换去离子水，并让凝胶继续冲洗至少额外12小时。然后，使用平头镊子将冲洗后的纤维素纳米纤维-钯凝胶依次转移至50毫升的25%、50%、75%和100%乙醇溶液中，每种溶液中至少浸泡6小时。最后一次溶剂置换后，使用二氧化碳在临界点干燥仪中干燥水凝胶，设定温度为35摄氏度、压力为1200磅每平方英寸。干燥完成后，让腔室平衡至少12小时，然后再打开干燥仪取出气凝胶。为通过扫描电子显微镜表征复合气凝胶，使用剃刀将每个凝胶切成1至2毫米厚的片状，并用导电碳胶带将薄膜样品固定在扫描电子显微镜样品台。将样品台装入显微镜中，使用15千伏的初始加速电压和2.7至5.4皮安的束流对样品进行成像。为通过X射线衍射分析气凝胶，将纤维素纳米纤维-钯气凝胶置于样品 holder 中，并使气凝胶顶部与样品 holder 顶部对齐。随后，在45千伏和40毫安条件下，采用铜K-α辐射，以2θ步长0.130度、每步20秒的参数，对衍射角2θ从5度至90度范围进行X射线衍射扫描。进行热重分析时，将气凝胶样品放入仪器坩埚中，在氮气氛围下以每分钟60毫升的流速，从室温以每分钟10摄氏度的升温速率加热至700摄氏度，进行分析。进行氮气吸附-脱附测试时，先在室温下对样品抽真空处理24小时，然后以−196摄氏度的氮气作为测试气体，吸附和脱附的平衡时间分别为60秒和120秒。进行电化学表征时，先将气凝胶样品浸入0.5摩尔的硫酸电解液中24小时，然后将一根涂有绝缘漆、顶端暴露1毫米的金属导线接触置于电化学样品瓶底部的气凝胶上表面。然后，使用三电极体系，其中包含银/氯化银参比电极、直径为0.5毫米的漆包铂丝辅助对电极和直径为0.5毫米的漆包铂工作电极，进行电化学阻抗谱测试，频率范围为1兆赫兹至1毫赫兹，施加10毫伏的正弦波信号；同时进行循环伏安法测试，电压范围为-0.2至1.2伏，扫描速率分别为10、25、50和75毫伏每秒。可按照演示方法进行傅里叶变换红外光谱分析，以确认纤维素纳米纤维水凝胶的交联情况。此处展示了在不同浓度的氯化铵钯或氯化钯钠溶液中平衡前后，共价交联的纤维素纳米纤维水凝胶。此处展示了还原纤维素纳米纤维-钯凝胶在超临界气凝胶复合干燥前后的情况。通常，通过扫描电子显微镜观察发现，气凝胶呈现出相互连接的纤维状网络结构，且随着钯溶液浓度的增加，纳米颗粒尺寸增大。钯和氢化钯的X射线衍射谱图随着钯合成浓度的升高而逐渐复杂化，直至在1,000毫摩尔时谱图不再可区分，这与扫描电子显微镜观察到的纳米颗粒直径增加现象相一致。热重光谱分析表明，随着合成过程中钯溶液浓度的增加，纤维素纳米纤维-钯复合气凝胶中的金属含量也随之增加。物理吸附数据显示出IV型吸附-脱附等温线，表明材料具有介孔和大孔结构；Barrett-Joyner-Halenda孔径分析表明，随着气凝胶中钯含量的增加，介孔分布频率降低。电化学阻抗谱结果显示，纤维素纳米纤维-钯复合气凝胶具有较低的电荷转移电阻和双电层电容。此外，循环伏安扫描表明，在低于零伏的电位下存在氢的吸附与脱附，以及在高于0.5伏时钯的特征性氧化与还原峰。请注意，应使用浓度逐步增加的水和乙醇冲洗凝胶，因为较大的浓度差可能导致渗透性溶胀，从而破坏水凝胶。通过引入其他材料（如石墨烯和碳纳米管）作为复合生物模板，可能有助于提高气凝胶的机械耐久性和导电性。利用纤维素纳米纤维共价水凝胶制备多孔金属复合气凝胶，为其他贵金属和过渡金属材料在多种形态下的合成提供了可行路径。高浓度的硼氢化钠水溶液会产生易燃的氢气。因此，必须在通风良好的环境中进行电化学还原操作，并远离明火。

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Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

纤维素纳米纤维生物模板复合气凝胶的合成方法

本研究的目的是利用稀水悬浮液中分离出的纳米纤维素纤维和木质素，通过逐层自组装方法构建合成植物细胞壁组织。 采用石英晶体微天平和原子力显微镜等表面测量技术，监测聚合物-聚合物纳米复合材料的形成过程。...

仿生木材：由纳米纤维素、木质素和合成聚阳离子制备的自支撑薄膜

我们提出一种利用造纸工艺制造刚性且坚固的短天然纤维预制体的新方法。细菌纤维素同时作为松散纤维的粘结剂，并为纤维预制体提供刚性。这些预制体可浸渍树脂，以制备真正的绿色分级复合材料。...

利用细菌纤维素作为粘结剂制备坚固的天然纤维预成型体

本视频方法描述了由聚合物前驱体以及单层氧化石墨烯制备高比表面积、整体式三维石墨烯基材料的合成过程。...

三维纳米石墨烯材料的合成与功能化：石墨烯气凝胶与石墨烯宏观组装体

介绍了一种利用二氧化碳（CO2）诱导凝胶化制备基于生物聚合物的气凝胶的新方法。该技术采用加压二氧化碳（5 MPa）制备生物聚合物水凝胶，并利用超临界CO2（12...

使用绿色溶剂制备生物聚合物气凝胶

已详细阐述制备高稳定性木纤维基毛状纳米颗粒和功能化纤维素基生物聚合物的合成方案。...

源自木材纤维的高稳定性功能性毛状纳米颗粒与生物聚合物：迈向可持续纳米技术

本文介绍了通过将金属物种引入二氧化硅和氧化铝气凝胶载体来制备和测试催化气凝胶的实验方案。重点阐述了使用铜盐和含铜纳米颗粒制备材料的方法。催化性能测试方案验证了这些气凝胶在三效催化应用中的有效性。...

通过快速超临界萃取法制备和测试催化气凝胶

本文介绍了一种制备多种微蜂窝整体式材料（MHMs）的通用方案，该材料允许流体以极低的压降通过。所获得的MHMs有望被用作过滤器、催化剂载体、流动型电极、传感器以及生物材料的支架。...

由纤维素纳米纤维溶胶单向冷冻干燥制备微蜂窝整体材料：方法与拓展

介绍了一种快速、直接的溶液还原合成方法，用于制备金（Au）、钯（Pd）和铂（Pt）气凝胶。...

一种通过直接溶液还原法快速合成金、钯和铂气凝胶的方法

本方案的三个关键步骤是：i）开发出具有合适组分和一致性的纤维素水凝胶油墨，ii）将支架3D打印成具有优良形状保真度和尺寸精度的不同孔隙结构，iii）在模拟体内条件下验证其用于软骨再生的力学性能。...

3D打印多孔纤维素纳米复合水凝胶支架

介绍了一种通过化学还原不溶性盐针模板来制备具有方形横截面的多孔铂基大管和大梁的合成方法。...

一种用于多孔铂基金属大梁和大管的盐模板合成方法

学习利用纤维素纳米纤维生物模板合成钯复合气凝胶的方法，通过羧甲基纤维素与去离子水混合制备溶液，实现三维纳米结构控制。该方法适用于催化、储能和传感等多种应用领域。

纤维素纳米纤维生物模板法制备钯复合气凝胶的方法

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