Une méthode de synthèse rapide Au, Pd et Pt aérogels par réduction directe axée sur la Solution

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des aérogels sur la possibilité de synthétiser directement des aérogels métalliques à partir de solutions aqueuses plutôt qu’à partir de nanoparticules préformées. D’autres méthodes, telles que les gels solaires, nécessitent des temps beaucoup plus longs pour la coalescence des nanoparticules. Les implications de cette technique s’étendent aux applications de catalyse et de détection en raison de la grande surface des aérogels de métaux nobles et de l’absence de matériaux de support.

Bien que cette méthode puisse donner un aperçu de la synthèse directe d’aérogels, elle peut également être appliquée à d’autres techniques de synthèse, telles que la biotemplation, pour obtenir un meilleur contrôle de la forme des monolithes d’aérogel. Pour commencer la procédure, préparez deux millilitres chacun de solutions 0,1 molaire de chlorure d’or(III) trihydraté et de tétrachloropalladate de sodium dans de l’eau désionisée. Agitez vigoureusement et vortex les solutions pour dissoudre les sels.

Laissez reposer la solution de palladium pendant quelques heures pour assurer une dissolution complète. Préparez deux millilitres d’hexachloroplatinate de potassium de 0,1 molaire dans un mélange d’eau déminéralisée et d’éthanol. Agitez vigoureusement et agitez le mélange jusqu’à ce que les sels soient dissous.

Préparez 10 millilitres chacun de solutions 0,1 molaire de borane de diméthylamine et de borohydrure de sodium dans de l’eau désionisée. Vortex les solutions pendant une à deux minutes pour assurer une dissolution complète. Ensuite, transférez 0,5 millilitre de la solution d’or dans un tube de microcentrifugation de 1,7 millilitre ou de deux millilitres.

Pipetez avec force 0,5 millilitre de DMAB dans le tube pour mélanger rapidement le sel et l’agent réducteur. Placez le tube de microcentrifugation dans un rack, en laissant le capuchon ouvert pour permettre à l’hydrogène gazeux de s’échapper. De la même manière, combinez 0,5 millilitre de la solution de platine avec 0,5 millilitre de DMAB et 0,5 millilitre de la solution de palladium avec 0,5 millilitre de borohydrure de sodium.

Environ cinq minutes après le début de la réaction, bouchez les tubes de microcentrifugation et retournez-les doucement trois à cinq fois pour favoriser la coalescence des particules métalliques qui ne font pas partie du gel métallique. Débouchez immédiatement les tubes et remettez-les dans le rack après l’inversion. Laissez les gels métalliques naissants dans les solutions d’agent réducteur pendant trois à six heures pour permettre une réduction complète des ions métalliques et une minimisation de l’énergie libre de surface.

Ensuite, retirez soigneusement l’excès d’agent réducteur de chaque tube, en vous assurant qu’il reste suffisamment de solution pour que le ménisque n’entre pas en contact avec le gel. Pipetez lentement de l’eau déminéralisée dans les tubes de microcentrifugation jusqu’à ce qu’ils soient complètement remplis. Ensuite, remplissez trois tubes coniques de 50 millilitres avec de l’eau déminéralisée.

Immergez chaque tube de microcentrifugation dans un tube d’eau déminéralisée et laissez chaque gel glisser de son tube de microcentrifugation dans le tube plus grand. Déplacez doucement le gel à l’aide d’une spatule si nécessaire. Boucher les tubes et laisser les gels dans de l’eau déminéralisée pendant 24 heures.

Remplacez l’eau après 12 heures par échange de solvant. Ne laissez pas le ménisque entrer en contact avec les gels lors du remplacement de l’eau. Pour commencer la procédure EIS pour les gels métalliques humides, retirez autant d’eau que possible sans que le ménisque n’entre en contact avec les gels rincés.

Ajoutez 50 millilitres de chlorure de potassium de 0,5 molaire dans chaque tube et laissez tremper les gels pendant 24 heures. Ensuite, utilisez une brosse à poils fins pour enduire une électrode à fil de potassium d’un millimètre de laque non réactive, en laissant quatre à cinq millimètres exposés à l’extrémité. Laissez sécher la laque pendant 20 minutes.

Appliquez au moins une couche supplémentaire de laque de la même manière. Ensuite, coupez un tube conique de 50 millilitres en deux pour servir de flacon électrochimique. Insérez une électrode de référence saturée en chlorure d’argent-argent et une contre-électrode en fil de potassium de 0,5 millimètre à travers un capuchon perforé ou un joint d’étanchéité pour le tube modifié.

Connectez les trois électrodes à un potentiostat. Transférez l’un des gels et son électrolyte dans le tube modifié en versant doucement l’électrolyte et le gel équilibré dans le tube sans laisser le gel entrer en contact avec l’interface air-liquide. Assurez-vous que le gel est déposé au fond du tube et ajoutez de l’électrolyte si nécessaire.

Ensuite, placez le capuchon sur le tube et ajustez les électrodes de référence et les contre-électrodes au besoin. Pour le gel d’or, insérez doucement la pointe nue de l’électrode de travail recouverte de laque dans le gel. Pour les gels de palladium et de platine, placez l’électrode de travail recouverte de laque dans le flacon conique le long de la surface intérieure, et posez le gel métallique sur la pointe du fil de platine nu.

Effectuez des balayages EIS potentiostatiques avec des fréquences comprises entre 100 mégahertz et un millihertz à l’aide d’une onde sinusoïdale d’amplitude de 10 millivolts. En cas de débordement de courant, utilisez un EIS galvanostatique avec la même gamme de fréquences et une amplitude d’onde sinusoïdale de 100 à 200 milliampères. Après la caractérisation électrochimique, rincer les gels à l’eau désionisée pendant 24 heures comme décrit à la fin de la synthèse du gel.

Ensuite, retirez autant de rinçage que possible sans laisser le ménisque entrer en contact avec les gels. Congelez les gels à moins 80 degrés Celsius pendant 30 minutes. Enfin, lyophilisez les gels dans un lyophilisateur avec un point de consigne de pression de quatre pascals ou moins pour obtenir les aérogels métalliques.

Les aérogels d’or, de palladium et de platine présentaient tous une hydrophobicité caractéristique et des propriétés comparables à celles des gels formés par des techniques de synthèse plus lentes. La microscopie électronique à balayage a montré que les aérogels d’or avaient de grands nanopores et des ligaments lisses. Les aérogels de palladium et de platine avaient une structure de billes sur une corde avec des nanoparticules fusionnées et des ligaments plus étroits.

L’aérogel de platine avait une plus grande gamme de diamètres de structure macroporeuse que l’aérogel de palladium, ce qui a été attribué à la stabilité des nanoparticules de platine nécessitant l’utilisation d’éthanol pour entraîner la coalescence et à la facilité qui en résulte de l’évolution de grandes bulles d’hydrogène gazeux lors de la formation du gel. La diffraction des rayons X a montré des pics caractéristiques pour les métaux respectifs, sans oxydes détectables. Les isothermes de physisorption de l’azote gazeux étaient de type IV, ce qui est caractéristique des matériaux mésoporeux.

La distribution de la taille des pores et le volume cumulatif des pores modélisés à partir des isothermes ont montré des tailles de pores principalement comprises entre deux et 50 nanomètres, confirmant que les aérogels étaient mésoporeux. Les spectres d’impédance électrochimiques ont été ajustés avec un modèle de ligne de transmission basé sur un modèle de circuit équivalent modifié de Randle. Les capacités spécifiques et les surfaces spécifiques ont été calculées à partir des données de l’EIS.

Ces valeurs étaient cohérentes avec les capacités spécifiques et les surfaces déterminées à partir d’expériences de voltampérométrie cyclique. Nous avons d’abord développé l’idée de cette méthode basée sur la combinaison de solutions de métaux nobles de 100 millimolaires et d’agents réducteurs pour d’autres projets avant de les jeter et d’observer la formation rapide de gels métalliques. Une fois maîtrisée, cette technique peut aboutir à des gels de métaux nobles en quelques minutes avant les étapes de rinçage et de séchage.

Lors de cette procédure, n’oubliez pas d’éviter le contact des gels métalliques avec l’interface liquide-air afin d’éviter le compactage du gel. Après cette procédure, d’autres méthodes telles que la biomodélisation peuvent être effectuées pour relever les défis du contrôle de la forme de l’aérogel.