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Research Article
Fred J. Burpo1, Jesse L. Palmer1, Alexander N. Mitropoulos1,2, Enoch A. Nagelli1, Lauren A. Morris3, Madeline Y. Ryu1, J. Kenneth Wickiser1
1Department of Chemistry and Life Science,United States Military Academy, 2Department of Mathematical Sciences,United States Military Academy, 3Armament Research, Development and Engineering Center,U.S. Army RDECOM-ARDEC
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Se presenta un método de síntesis para los aerogeles compuestos de paladio bioplantillados con celulosa. Los materiales de aerogel compuesto resultantes ofrecen potencial para aplicaciones de catálisis, detección y almacenamiento de gas hidrógeno.
Aquí, se presenta un método para sintetizar aerogeles compuestos de paladio bioplantillados de celulosa. Los métodos nobles de síntesis de aerogeles metálicos a menudo dan como resultado aerogeles frágiles con un control de forma deficiente. El uso de nanofibras de celulosa carboximetilada (CNF) para formar un hidrogel unido covalentemente permite la reducción de iones metálicos como el paladio en los CNF con control sobre la nanoestructura y la forma de monolito de aerogel macroscópica después de supercrítico Secado. El reticulado de las nanofibras de celulosa carboximetilada se logra utilizando 1-etil-3-(3-dimetilaminopropyl) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina. Los hidrogeles CNF mantienen su forma a lo largo de los pasos de síntesis, incluyendo reticulación covalente, equilibrio con iones precursores, reducción de metales con agente reductor de alta concentración, enlinado en agua, intercambio de disolventes de etanol y CO2 secado supercrítico. La variación de la concentración de iones de paladio precursor permite controlar el contenido de metal en el compuesto de aerogel final a través de una reducción química de iones directos en lugar de depender de la carbonescencia relativamente lenta de nanopartículas preformadas utilizadas en otras técnicas sol-gel. Con la difusión como base para introducir y eliminar especies químicas dentro y fuera del hidrogel, este método es adecuado para geometrías a granel más pequeñas y películas delgadas. Caracterización de los aerogeles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa con microscopía electrónica de barrido, difractometría de rayos X, análisis gravimétrico térmico, adsorción de gas nitrógeno, espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica indica una alta superficie, estructura paladio metalizada.
Los aerogeles, reportados por primera vez por Kistler, ofrecen estructuras porosas órdenes de magnitud menos densas que sus homólogos de material a granel1,2,3. Los aerogeles metálicos nobles han atraído interés científico por su potencial en aplicaciones de energía y energía, catalíticas y sensores. Los aerogeles metálicos nobles se han sintetizado recientemente a través de dos estrategias básicas. Una estrategia es inducir la carbonescencia de las nanopartículas preformadas4,5,6,7. La carbonescencia sol-gel de nanopartículas puede ser impulsada por moléculas de eslabones, cambios en la resistencia iónica de la solución, o minimización de energía libre de superficie de nanopartículassimple 7,8,9. La otra estrategia es formar aerogeles en un solo paso de reducción a partir de soluciones precursoras metálicas9,10,11,12,13. Este enfoque también se ha utilizado para formar aerogeles de metal noble bimetálico y de aleación. La primera estrategia es generalmente lenta y puede requerir hasta muchas semanas para la carbonescencia de nanopartículas14. El enfoque de reducción directa, aunque generalmente más rápido, sufre de un mal control de la forma sobre el monolito de aerogel macroscópico.
Un posible enfoque de síntesis para abordar los desafíos con el control de la forma macroscópica y nanoestructura del aerogel de metal noble es emplear bio-templación15. Bio-templación utiliza moléculas biológicas que van desde colágeno, gelatina, ADN, virus, hasta celulosa para proporcionar una plantilla de segmentación de formas para la síntesis de nanoestructuras, donde las nanoestructuras metálicas resultantes asumen la geometría de la molécula de plantilla biológica16,17. Las nanofibras de celulosa son atractivas como bioplantilla dada la alta abundancia natural de materiales celulósicos, su geometría lineal de alta relación de aspecto y la capacidad de funcionalizar químicamente sus monómeros de glucosa18,19, 20,21,22,23. Las nanofibras de celulosa (CNF) se han utilizado para sintetizar nanohilos TiO2 tridimensionales para fotoanodos24,nanohilos de plata para electrónica de papel transparente25y compuestos de paladio aerogel para catálisis26 . Además, las nanofibras de celulosa oxidizadas TEMPO se han utilizado tanto como bioplantillacomo agente reductor en la preparación de aerogeles CNF 27 decorados con paladio.
Aquí, se presenta un método para sintetizar aerogeles compuestos de paladio bioplantillados de celulosa26. Los aerogeles frágiles con un control de forma deficiente se producen para una gama noble de métodos de síntesis de aerogeles metálicos. Las nanofibras de celulosa carboximetilada (CNF) utilizadas para formar un hidrogel covalente permiten la reducción de iones metálicos como el paladio en los CNF que proporcionan control sobre la nanoestructura y la forma de monolito de aerogel macroscópica después del secado supercrítico. La reticulación entre nanofibras de celulosa carboximetilada se logra utilizando 1-etil-3-(3-dimetilaminopropyl) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina como molécula vinculadora entre los CNF. Los hidrogeles CNF mantienen su forma a lo largo de los pasos de síntesis, incluyendo reticulación covalente, equilibrio con iones precursores, reducción de metales con agente reductor de alta concentración, enlinado en agua, intercambio de disolventes de etanol y CO2 secado supercrítico. La variación de la concentración de iones precursores permite controlar el contenido final de metal aerogel a través de una reducción directa de iones en lugar de depender de la carbonescencia relativamente lenta de nanopartículas preformadas utilizadas en métodos sol-gel. Con la difusión como base para introducir y eliminar especies químicas dentro y fuera del hidrogel, este método es adecuado para geometrías a granel más pequeñas y películas delgadas. Caracterización de los aerogeles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa con microscopía electrónica de barrido, difractometría de rayos X, análisis gravimétrico térmico, adsorción de gas nitrógeno, espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica indica una estructura porosa de paladio metalizada de alta superficie.
ADVERTENCIA: Consulte todas las fichas de datos de seguridad (SDS) pertinentes antes de su uso. Utilizar las prácticas de seguridad adecuadas al realizar reacciones químicas, para incluir el uso de una campana de humo y equipo de protección personal (EPP). La rápida evolución del gas de hidrógeno puede causar una alta presión en los tubos de reacción, lo que hace que las tapas se espopen y las soluciones se rocien. Asegúrese de que los tubos de reacción permanezcan abiertos y señalados del experimentador como se especifica en el protocolo.
1. Preparación de hidrogel de nanofibra de celulosa
2. Preparación de nanofibra de celulosa - hidrogeles compuestos de paladio
3. Preparación de Aerogel
4. Caracterización de material de aerogel compuesto
El esquema para covalentemente reticular nanofibras de celulosa con EDC en presencia de etilendiamina se describe en la Figura1. El reticulado de EDC da como resultado un vínculo de amida entre un grupo funcional de carboxilo y amina primaria. Dado que las nanofibras de carboximetilcelulosa poseen sólo grupos de carboxilo para la reticulación, la presencia de una molécula de vinculador de diamina como etilendiamina es esencial para vincular covalentemente dos CNF adyacentes a través de dos enlaces de amida. Para confirmar la reticulación, la Figura 2 muestra espectros FTIR para soluciones CNF del 3% (p/p) en comparación con los hidrogeles CNF después de la reticulación con 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina. Tanto el CNF como los hidrogeles CNF reticulados se equilibraron en agua desionizada antes del análisis FTIR. La solución CNF del 3% (p/w) presenta un pico amplio entre aproximadamente 3200 y 3600 cm-1 y se atribuye al estiramiento O-H28. El pico prominente en 1595 cm-1 es probablemente atribuido a la vibración de los grupos -COO-Na+ en las nanofibras carboximetilcelulosa29. Después de recruzar las nanofibras de carboximetilcelulosa con EDC en presencia de etilendiamina, resultan tres posibilidades de unión. El primero es un enlace cruzado efectivo entre dos CNF con etilendiamina formando dos enlaces de amida con carboxilatos en el CNF. El segundo es etilendiamina formando un único enlace de amida con un carboxilato CNF con una amina primaria en el otro extremo de la molécula de diamina. La tercera posibilidad es que edC forma un intermedio de o-acylisourea inestable que se hidroliza para reformar el grupo carboxilo inicial30.
Después del reticulado, la amplia banda de absorción de O-H entre 3200 y 3600 cm-1 disminuye, con la aparición de picos prominentes en 3284 y 3335 cm-1, atribuidos a aminas primarias y enlaces de amida resultantes de ambos amidas de CNFres reticulados, y enlaces de amida individuales entre los CNF y la etilendiamina que dan como resultado una amina primaria en el extremo terminal de la molécula de etilendiamina28,31. El pico en 2903 cm-1 asociado con el estiramiento C-H se vuelve más prominente después de la reticulación y se atribuye a la mayor presencia de -NH3+ de las aminas primarias terminales. La disminución en el estiramiento carbonilo a un número de onda de 1595 cm-1 se atribuye a la disminución del número de grupos -COO-Na+ debido al reticulación con etilendiamina. La formación de enlaces de amida debido al reticulación se ve en los picos de amida en 1693 y 1668 cm-1, así como en 1540 cm-1, y un pequeño pico en 1236 cm-1 28,29,31.
La Figura 3 muestra fotografías de cada uno de los pasos de síntesis para incluir: los hidrogeles CNF covalentemente reticulados (Figura3a); CNFs equilibrados en un rango de concentración de 1, 10, 50, 100, 500 y 1000 mM Pd(NH3)4Cl2 (Figura3b),o Na2PdCl4 (Figura3c)solución; reducción de los geles CNF-paladio (Figura3d); y compuestos de aerogel secado supercrítico (Figura3e). Las fotografías muestran el control de forma ofrecido por este método de síntesis.
Las imágenes SEM de la Figura 4a-f representan aerogeles CNF-palladium compuestos sintetizados a partir de 1, 10, 50, 100, 500 y 1000 mM Pd(NH3)4Cl2 soluciones, respectivamente. En general, los aerogeles presentan ligamentos fibrilares interconectados con un tamaño de nanopartículas creciente que se correlaciona con el aumento de la concentración de la solución de paladio. Los diámetros medios de nanopartículas y tamaños de poros para muestras de concentración inferior son: 1 mM) 12,6 x 2,2 nm y 32,4 x 13,3 nm; y 10 mM) 12,4 x 2,0 nm y 32,2 a 10,4 nm. Los aerogeles sintetizados con 50 mM y mayores concentraciones de paladio presentan nanopartículas más claramente interconectadas. Los diámetros medios de nanopartículas resultantes de las concentraciones medias de síntesis de palladio de 50, 100, 500 y 1000 mM son de 19,5 a 5,0 nm, 41,9 a 10,0 nm, 45,6 a 14,6 nm y 59,0 a 16,4 nm, respectivamente.
Los espectros XRD para ángulos de 2o de 15 a 70o en la Figura 5 indican picos de paladio y hidruro de paladio indexados a los números de referencia del Comité Mixto de Normas de Difracción de Polvo (JCPDS) 01-087-0643 y 00-018-0951, respectivamente. Los picos de paladio hidruro y paladio se vuelven más enrevesados con el aumento de la concentración de síntesis de paladio, donde no se distinguen a 1000 mM. La disminución del ensanchamiento máximo se correlaciona con el aumento de los diámetros de las nanopartículas observado en la Figura4.
Los espectros termogravimétricos mostrados en la Figura 6 indican el aumento del contenido de metal en los aerogeles compuestos CNF-palaladium con una concentración creciente de la solución de paladio de síntesis. La concentración de síntesis de peso% frente a paladio mostrada en la Figura 6c demuestra el control del contenido de metal en el compuesto de aerogel entre 0 - 75,5%.
Las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno, y los correspondientes volúmenes de poros acumulativos con volumen diferencial de poros se muestran para compuestos de aerogel sintetizados a partir de soluciones de paladio de 1, 100 y 1000 mM en la Figura 7a-b, Figura 7c -d, y la Figura 7e-f, respectivamente. Los datos de fisisorción indican isotermas de adsorción-desorción de tipo IV que indican la estructura mesoporosa y macroporosa. Las superficies específicas de Brunauer-Emmett-Teller (BET) fueron de 582, 456 y 171 m2/g para las muestras de paladio de 1, 100 y 1000 mM, respectivamente, lo que indica una disminución de la superficie específica con un contenido de metales de 32. Barrett-Joyner-Halenda (BJH) análisis de tamaño de poro también indica que a medida que aumenta el contenido de paladio aerogel, hay una frecuencia decreciente de mesopores33. Utilizando el análisis BJH de las curvas de desorción, los volúmenes de poros acumulados (poroV) para las muestras de 1, 100 y 1000 mM fueron 7,37 cm3/g, 6,10 cm3/g y 2,40 cm3/g. volúmenes específicos de muestra promedio (Vmuestra) se determinaron midiendo el volumen y dividiendo por la masa de la muestra. Las porosidades de Aerogel fueron del 97,3%, 95,0% y 90,4% para los 1, 100 y 1000 mM, respectivamente utilizando Ecuación (1),
% Porosidad (Poro V /MuestraV) x 100 % (1)
Con la misma distribución de tamaño covalente y de tamaño de poro CNF inicial, las poros de muestra disminuyen con el aumento del contenido de metal a medida que el metal reducido llena el espacio de los poros.
La Figura 8a muestra los espectros EIS realizados en 0,5 M H2SO4 utilizando una onda sinusoidal de amplitud de 10 mA a través de un rango de frecuencia de 140 kHz a 15 mHz. El semicírculo incompleto en la región de alta frecuencia que se muestra en la Figura 8b indica baja resistencia a la transferencia de carga y capacitancia de doble capa para el aerogel compuesto CNF-palladium. Las exploraciones CV realizadas en 0,5 M H2SO4 de -0,2 V a 1,2 V (vs Ag/AgCl) a velocidades de escaneo de 10, 25, 50 y 75 mV/s se muestran en la Figura 8c,con la exploración de 10 mV/s mostrada por separado en la Figura 8d. Las exploraciones CV indican la adsorción y desorción de hidrógeno en potenciales inferiores a 0 V, así como picos característicos de oxidación y reducción para paladio superior a 0,5 V.

Figura 1 . Esquema de síntesis de Aerogel. (a ) La vinculación cruzada de nanofibras de carboximetilcelulosa (CNF) con EDC y etilendiamina como molécula de vinculador. (b, c) Nanofibras de carboximetilcelulosa reticuladas. (d) Hidrogel CNF equilibrado con solución de sal de paladio. (e) aerogel compuesto de paladio bioplantilla cnF después de la reducción con NaBH4, enjuadecimiento, intercambio de disolventes con etanol y secado supercrítico de CO2. Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 . FtIR espectros para 3 % (p/p) solución de nanofibra de carboximetilcelulosa (CNF) en agua desionizada e hidrogeles CNF reticulados con 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina y posteriormente equilibrado en agua desionizada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 . Fotos del proceso de síntesis de Aerogel. (a ) Hidrogeles de nanofibra de carboximetilcelulosa reticuladas con EDC y etilendiamina como molécula de vinculador. Hidrogeles CNF equilibrados con soluciones de sal de paladio de 1, 10, 50, 100, 500 y 1000 mM para (b) Pd(NH3)4Cl2y (c) Na2PdCl4. (d) aerogel de paladio bioplantilla ante CNF tras la reducción con NaBH4. (e) Aerogeles compuestos CNF-Pd después del enjuado, el intercambio de disolventes con etanol y el secado supercrítico de CO2. Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 . Escaneo de imágenes de microscopía electrónica de aerogeles compuestos CNF-Pd preparados a partir de Pd(NH3) 4 Cl 2 concentraciones de (a) 1 mM; (b) 10 mM; (c) 50 mM; (d) 100 mM; (e) 500 mM; y (f) 1000 mM. Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5 . Espectros de difracción de rayos X para aerogeles compuestos CNF-Pd sintetizados a partir de Pd(NH3) 4 Cl 2 concentraciones de solución salina de 1 mM, 10 mM, 50 mM, 100 mM, 500 mM y 1000 mM. Las posiciones de pico de hidruro de paladio 00-018-0951 de referencia JCPDS se indican con una línea discontinua azul claro, y líneas grises discontinuas para 01-087-0643 posiciones de pico de paladio. Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 . Análisis termogravimétrico (TGA). (a ) TGA de aerogeles sintetizados con soluciones de sal Pd(NH3)4Cl2. (b) TGA de 50 mM Pd(NH3)4Cl2 muestra de ( a ) con análisis térmico diferencial (DTA). (c) Masa de la muestra depaladio a 600 oC a partir de ( a ) para las diferentes concentraciones de paladio. Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7 . Análisis de Brunauer-Emmett-Teller. Las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno, y la distribución del tamaño de los poros con volumen de poro acumulado para aerogeles sintetizados con Soluciones de sal Pd(NH3)4Cl2 de (a,b) 0 mM, (c,d) 100 mM y (e,f) 1000 mM . Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8 . Caracterización electroquímica en 0,5 M H 2 ASÍ QUE 4 de aerogeles CNF-Pd preparados a partir de 1000 mM Pd(NH3) 4 Cl 2 . (a ) La espectroscopia de impedancia electroquímica con una onda sinusoidal de 10 mV se utilizó a través de frecuencias de 140 kHz a 15 mHz. (b) Espectros de alta frecuencia de 140kHz a 1,3 kHz desde ( a ). (c) Voltammetría cíclica (CV) a velocidades de escaneo de 10, 25, 50 y 75 mV/s. (d) Escaneo CV a 10 mV/s desde (c). Reproducido a partir de la referencia 26 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Se presenta un método de síntesis para los aerogeles compuestos de paladio bioplantillados con celulosa. Los materiales de aerogel compuesto resultantes ofrecen potencial para aplicaciones de catálisis, detección y almacenamiento de gas hidrógeno.
Los autores están agradecidos con el Dr. Stephen Bartolucci y el Dr. Joshua Maurer en los Laboratorios Benet del Ejército de los Estados Unidos por el uso de su microscopio electrónico de escaneo. Este trabajo fue apoyado por una subvención del Fondo de Investigación para el Desarrollo Docente de la Academia Militar de los Estados Unidos, West Point.
| Electrodo de alambre de platino de 0,5 mm | BASi | MW-4130 | Se utiliza para electrodo auxiliar y por separado para el recubrimiento de laca y uso como electrodo de trabajo |
| Clorhidrato de carbodiimida de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) (EDC) | Sigma-Aldrich | 1892-57-5 | |
| Ácido 2-(N-morfolino)etanosulfónico (MES) | Sigma-Aldrich | 117961-21-4 | |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Electrodo de referencia | BASi | MF-2052 | |
| Carboximetilcelulosa, TEMPO Celulosa Nanofibrillas, Polvo Seco | Centro de Desarrollo de Procesos de la Universidad de Maine | No 8 | |
| Etanol, 200 pruebas | PHARMCO-AAPER | 241000200 | |
| Etilendiamina | Sigma-Aldrich | 107-15-3 | |
| Espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), Frontier | Perkin Elmer | L1280044 | |
| ácido clorhídrico | CORCO | 7647-01-0 | |
| Na2PdCl4 | Sigma-Aldrich | 13820-40-1 | |
| NaBH4 | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | |
| Pd(NH3)4Cl2 | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
| Potenciostato | Biológico-EE. UU | .VMP-3 | Análisis electroquímico-EIS, |
| CV Mciroscopio electrónico de barrido (SEM) Helios 600 Nanolab | ThermoFisher Secador | ||
| supercrítico | científicoLeica | EM CPD300 | Aerogel con CO2 |
| Analizador de superficies y poros | Quantachrome | NOVA 4000e | Adsorción de gas nitrógeno |
| Análisis gravimétrico térmico | TA instruments | TGA Q500 | |
| Limpiador ultrasónico | MTI | EQ-VGT-1860QTD | |
| XRD | PanAlytical | Empyrean | Difractometría de rayos X |