Método de síntesis para la celulosa nanofibra Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Este método que utiliza hidrogeles covalentes de biopolímero de nanofibra de celulosa para lograr un compuesto de aerogel de metal paladio puede ser generalizable a una amplia gama de plantillas de biopolímeros y metales. Este método de síntesis de aerogel compuesto utiliza nanofibras de celulosa como biotemplate para lograr el control sobre la nanoestructura de metal de palio y la forma de monolito de aerogel macroscópico. El control de la forma y la integridad mecánica de los aerogeles metálicos biocontecidas deben facilitar las aplicaciones de catálisis, almacenamiento de energía y detección.

Este método se puede aplicar para seguir desarrollando plantillas de metal de carbono de biopolímero y para lograr un mejor control de las nanoestructuras tridimensionales en materiales de aerogel compuesto. Para preparar una solución de nanofibra de celulosa, primero mezcle 1,5 gramos de nanofibras de carboximetilcelulosa con 50 mililitros de agua desionizada. Después de agitar, vórtice la solución durante un minuto, seguido de una incubación de 24 horas en un sonicador de baño a temperatura ambiente para asegurar una mezcla completa.

A la mañana siguiente, añadir 0.959 gramos de EDC y 0.195 gramos de tampón MES a 2.833 mililitros de agua desionizada. A continuación, ajuste el volumen final a 10 mililitros y un pH de 4,5 con ácido clorhídrico de un molar y agua desionizada. A continuación, transfiera 0,25 mililitros de la solución de nanofibra de 3%celulosa a cada uno de los seis tubos de microfug, y sedimente las nanofibras por centrifugación.

Utilice una pipeta para aspirar el exceso de agua por encima de las nanofibras compactadas evitando el contacto con la superficie superior. Agregue un mililitro de la solución de reticulación EDC y diamina por encima de las nanofibras de celulosa compactadas en cada tubo de microfuge. Espere al menos 24 horas para que la solución de reticulación se difunda a través de los geles para reticular las nanofibras de celulosa.

A continuación, aspirar el sobrenadante de la solución de reticulación de los tubos de microfure y sumergir los tubos de microfuge en un litro de agua desionizada durante al menos 24 horas con las tapas abiertas para eliminar cualquier solución de reticulación excesiva desde dentro de los hidrogeles de nanofibra. Al día siguiente, agregue aproximadamente 0,5 mililitros de una solución de nanofibra de 3% de celulosa en agua desionizada a la etapa de muestra de un espectrómetro infrarrojo de transformación Fourier, y escanee el porcentaje de transmitancia de 650 a 4.000 centímetros recíprocos. Para preparar la solución de paladio, vórtice 10 mililitros de cloruro de paladio molar durante 15 segundos antes de diluir la solución a volúmenes de un mililitro a uno, 10, 50, 100, 500 y 1.000 mililitrolares en agua desionizada.

A continuación, añadir un mililitro de cada dilución a la parte superior de muestras individuales de hidrogel de nanofibra de celulosa, y permitir que las soluciones de paladio se equilibren dentro de los hidrogeles durante 24 horas. Al día siguiente, prepare 60 mililitros de borohidruro sódico de dos molares y pipeta 10 mililitros en cada uno de los seis tubos cónicos de 15 mililitros en una campana de humo, y transfiera los tubos de hidrogeles de nanofibra de celulosa equilibrados de paladio a la campana de humo. Usando el equipo de protección personal adecuado, invierta un tubo de microcentrífuga y toque suavemente el tubo para retirar el hidrogel, utilizando pinzas planas para transferir el hidrogel a uno de los tubos de borohidruro de sodio.

Después de 24 horas, transfiera cada hidrogel reducido a una segunda solución de reducción de borohidruro sódico de 24 horas y 0,5 molares antes de enjuagar los geles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa en 50 mililitros de agua desionizada en nuevos tubos cónicos. Cambie el agua desionizada después de 12 horas y deje que los geles se enjuaguen durante al menos 12 horas adicionales. A continuación, utilice pinzas planas para transferir los geles de nanofibra-paladio enjuagados a volúmenes sucesivos de 50 mililitros de 25%50%75% y soluciones de etanol al menos 100% durante al menos seis horas por solución.

Después del último intercambio de disolventes, seque los hidrogeles en un secador supercrítico con dióxido de carbono, con un punto de ajuste de 35 grados Celsius y 1200 libras por pulgada cuadrada. Cuando el secado esté completo, deje que la cámara se equilibre durante al menos 12 horas antes de abrir la secadora para la eliminación de los aerogeles. Para caracterizar los aerogeles compuestos mediante la microscopía electrónica de barrido, utilice una cuchilla de afeitar para cortar cada gel en secciones de uno a dos milímetros de grosor, y utilice cinta adhesiva de carbono para fijar la muestra de película delgada en un talón de muestra de microscopio electrónico de barrido.

Cargue el talón en el microscopio y utilice una tensión de aceleración inicial de 15 kilovoltas y una corriente de haz de 2,7 a 5,4 picoamps para obtener una imagen de la muestra. Para analizar los aerogeles por difractometría de rayos X, coloque el aerogel de nanofibra-paladio de celulosa en un soporte de muestra y alinee la parte superior del aerogel con la parte superior del soporte. Luego, realice escaneos de difracción de rayos X en busca de ángulos de difracción de dos theta de cinco a 90 grados a 45 kilovoltios y 40 miliamperios con radiación K-alfa de cobre, un tamaño de dos pasos theta de 0130 grados y 20 segundos por paso.

Para el análisis gravimétrico térmico, coloque una muestra de aerogel en el crisol de instrumentos y realice el análisis fluyendo gas nitrógeno a 60 mililitros por minuto con calentamiento a 10 grados por minuto desde la temperatura ambiente hasta 700 grados centígrados. Para la adsorción-desorción de gas nitrógeno, desgaste las muestras durante 24 horas a temperatura ambiente antes de usar nitrógeno a menos 196 grados Celsius como gas de prueba con tiempos de equilibrio para adsorción y desorción de 60 y 120 segundos, respectivamente. Para la caracterización electroquímica, sumerja las muestras de aerogel en electrolito de ácido sulfúrico 0,5 molar durante 24 horas antes de colocar un alambre recubierto de laca con una punta de un milímetro expuesta en contacto con la superficie superior del aerogel en la parte inferior del vial electroquímico.

A continuación, utilice una célula de tres electrodos con un electrodo auxiliar de alambre de platino de 0,5 milímetros de diámetro y un electrodo de trabajo de platino recubierto de laca de 0,5 milímetros de diámetro para realizar espectroscopia de impedancia electroquímica de un megahercio a un milihercio con una onda sinusoidal de 10 milivoltios y voltammetría cíclica utilizando un rango de voltaje de menos 0,2 a 1,2 voltios con velocidades de escaneo de 10, 25, 50 y 75 milivoltios por segundo. La espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier se puede realizar como se ha demostrado para confirmar la reticulación de hidrogel de nanofibra de celulosa. Aquí, se muestran hidrogeles de nanofibra de celulosa reticulados covalentemente antes y después del equilibrio en una gama de concentraciones de cloruro de amonio de paladio o cloruro de paladio sódico.

Aquí, se muestran geles de nanofibra-paladio reducidos antes y después del secado compuesto de aerogel supercrítico. En general, los aerogeles presentan ligamentos fibrilarios interconectados con un tamaño creciente de nanopartículas, correlacionando con un aumento en la concentración de solución de paladio mediante la microscopía electrónica de barrido. Los espectros de difractometría de rayos X para el paladio y el hidruro de paladio se vuelven más enrevesados con el aumento de la concentración de síntesis de paladio hasta que los espectros ya no se distinguen a 1.000 milímetros, correlacionando con el aumento de los diámetros de nanopartículas observados por la microscopía electrónica de barrido.

El análisis de espectros termogravimétricos revela un aumento del contenido de metal en los aerogeles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa a medida que aumenta la concentración de solución de paladio de síntesis. Los datos de fisorción demuestran una isoterma de adsorción-desorción tipo IV, que indica una estructura mesoporosa y macroporosa, y el análisis del tamaño de los poros de Barrett-Joyner-Halenda indica una frecuencia decreciente de mesoporos a medida que aumenta el contenido de paladio de aerogel. Los espectros de espectroscopia de impedancia electroquímica ilustran la resistencia a la transferencia de carga baja y la capacitancia de doble capa para el aerogel compuesto de nanofibra-paladio de celulosa.

Además, las exploraciones de voltammetría cíclica indican adsorción de hidrógeno y desorción a potenciales inferiores a cero voltios, así como picos característicos de oxidación y reducción para paladio superiores a 0,5 voltios. Recuerde enjuagar los geles con concentraciones incrementales de agua y etanol, ya que la hinchazón osmótica de grandes diferencias de concentración puede romper el hidrogel. La incorporación de otros materiales como el grafeno y los nanotubos de carbono para biobombos compuestos puede ser posible para lograr una mayor durabilidad mecánica y conductividad de los aerogeles.

El uso de hidrogeles covalentes de nanofibra de celulosa para lograr aerogeles compuestos metálicos porosos ofrece una ruta de síntesis para otros materiales metálicos nobles y de transición en una variedad de factores de forma. Las altas concentraciones de borohidruro sódico acuoso dan como resultado la producción de gas de hidrógeno inflamable. Es importante reducir electroquímicamente las muestras en un área bien ventilada, lejos de las llamas abiertas.