Un metodo di sintesi rapida per Au, Pd e Pt Aerogels tramite riduzione diretta basata su soluzione

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'aerogel sulla possibilità di sintetizzare direttamente aerogel metallici da soluzioni acquose piuttosto che da nanoparticelle preformate. Altri metodi, come i gel sol, richiedono tempi molto più lunghi per la coalescenza delle nanoparticelle. Le implicazioni di questa tecnica si estendono alle applicazioni di catalisi e rilevamento a causa dell'elevata area superficiale degli aerogel di metalli nobili e della mancanza di materiali di supporto.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla sintesi diretta dell'aerogel, può anche essere applicato ad altre tecniche di sintesi, come la biotemplazione, per ottenere un migliore controllo della forma sui monoliti di aerogel. Per iniziare la procedura, preparare due millilitri ciascuno di soluzioni molari 0,1 di cloruro d'oro (III) triidrato e tetracloropalladato di sodio in acqua deionizzata. Agitare energicamente e agitare le soluzioni per sciogliere i sali.

Lasciare riposare la soluzione di palladio per alcune ore per garantire la completa dissoluzione. Preparare due millilitri di esacloroplatino di potassio molare 0,1 molare in una miscela uno a uno in volume di acqua deionizzata ed etanolo. Agitare energicamente e agitare il composto fino a quando i sali non si saranno sciolti.

Preparare 10 millilitri ciascuno di soluzioni molari 0,1 di dimetilammina borano e boroidruro di sodio in acqua deionizzata. Agitare le soluzioni per uno o due minuti per garantire la completa dissoluzione. Quindi, trasferire 0,5 millilitri della soluzione d'oro in una provetta da microcentrifuga da 1,7 millilitri o due millilitri.

Pipettare con forza 0,5 millilitri di DMAB nella provetta per mescolare rapidamente il sale e l'agente riducente. Posizionare la provetta per microcentrifuga in una griglia, lasciando il tappo aperto per consentire la fuoriuscita dell'idrogeno gassoso. Allo stesso modo, combinare 0,5 millilitri della soluzione di platino con 0,5 millilitri di DMAB e 0,5 millilitri della soluzione di palladio con 0,5 millilitri di boroidruro di sodio.

Circa cinque minuti dopo l'inizio della reazione, tappare le provette per microcentrifuga e capovolgerle delicatamente da tre a cinque volte per favorire la coalescenza delle particelle metalliche che non fanno parte del gel metallico. Stappare immediatamente le provette e rimetterle nel rack dopo l'inversione. Lasciare i gel di metallo nascente nelle soluzioni di agenti riducenti per tre-sei ore per consentire la completa riduzione degli ioni metallici e la minimizzazione dell'energia libera dalla superficie.

Quindi, rimuovere con cura l'eccesso di agente riducente da ciascun tubo, assicurandosi che rimanga una quantità sufficiente di soluzione in modo che il menisco non entri in contatto con il gel. Pipettare lentamente l'acqua deionizzata nelle provette della microcentrifuga fino a riempirle completamente. Quindi, riempire tre tubi conici da 50 millilitri con acqua deionizzata.

Immergere ogni provetta da microcentrifuga in una provetta di acqua deionizzata e lasciare che ogni gel scivoli dalla provetta per microcentrifuga nella provetta più grande. Se necessario, muovi delicatamente il gel con una spatola. Tappare i tubi e lasciare i gel in acqua deionizzata per 24 ore.

Sostituire l'acqua dopo 12 ore con lo scambio di solventi. Non permettere al menisco di entrare in contatto con i gel durante la sostituzione dell'acqua. Per iniziare la procedura EIS per i gel metallici bagnati, rimuovere quanta più acqua possibile senza che il menisco entri in contatto con i gel risciacquati.

Aggiungere 50 millilitri di cloruro di potassio 0,5 molare a ciascuna provetta e lasciare i gel in ammollo per 24 ore. Quindi, utilizzare una spazzola a setole fini per rivestire un elettrodo a filo di potassio da un millimetro con lacca non reattiva, lasciando da quattro a cinque millimetri esposti sulla punta. Lasciare asciugare la lacca per 20 minuti.

Applicare almeno un'altra mano di lacca allo stesso modo. Quindi, tagliare a metà un tubo conico da 50 millilitri per fungere da fiala elettrochimica. Inserire un elettrodo di riferimento saturo argento-cloruro d'argento e un controelettrodo a filo di potassio da 0,5 millimetri attraverso un cappuccio perforato o una guarnizione per il tubo modificato.

Collegare i tre elettrodi a un potenziostato. Trasferire uno dei gel e il suo elettrolita nel tubo modificato versando delicatamente l'elettrolita e il gel bilanciato nel tubo senza lasciare che il gel entri in contatto con l'interfaccia liquido-aria. Assicurarsi che il gel si sia depositato sul fondo del tubo e, se necessario, aggiungere elettrolita.

Quindi, posizionare il tappo sul tubo e regolare gli elettrodi di riferimento e i controelettrodi secondo necessità. Per il gel dorato, inserire delicatamente la punta nuda dell'elettrodo di lavoro rivestito di lacca nel gel. Per i gel di palladio e platino, posizionare l'elettrodo di lavoro rivestito di lacca nella fiala conica lungo la superficie interna e appoggiare il gel metallico sopra la punta del filo di platino nudo.

Esecuzione di scansioni EIS potenziostatiche con frequenze comprese tra 100 megahertz e 1 millihertz utilizzando un'onda sinusoidale di 10 millivolt. In caso di trabocco di corrente, utilizzare un EIS galvanostatico con la stessa gamma di frequenza e un'ampiezza dell'onda sinusoidale da 100 a 200 milliampere. Dopo la caratterizzazione elettrochimica, sciacquare i gel con acqua deionizzata per 24 ore come descritto al termine della sintesi del gel.

Quindi, rimuovere la maggior parte possibile del risciacquo senza lasciare che il menisco entri in contatto con i gel. Congelare i gel a una temperatura negativa di 80 gradi Celsius per 30 minuti. Infine, liofilizzare i gel in un liofilizzatore con un set point di pressione di quattro pascal o inferiore per ottenere gli aerogel metallici.

Gli aerogel d'oro, palladio e platino mostravano tutti una caratteristica idrofobicità e avevano proprietà paragonabili ai gel formati da tecniche di sintesi più lente. La microscopia elettronica a scansione ha mostrato che gli aerogel d'oro avevano grandi nanopori e legamenti lisci. Gli aerogel di palladio e platino avevano una struttura a perline su una corda con nanoparticelle fuse e legamenti più stretti.

L'aerogel di platino aveva una gamma più ampia di diametri della struttura dei macropori rispetto all'aerogel di palladio, che è stato attribuito alla stabilità delle nanoparticelle di platino che richiede l'uso di etanolo per guidare la coalescenza e la conseguente facilità di evoluzione di grandi bolle di gas idrogeno durante la formazione del gel. La diffrazione dei raggi X ha mostrato picchi caratteristici per i rispettivi metalli senza ossidi rilevabili. Le isoterme di fisisorbimento dell'azoto gassoso erano di tipo IV, che è caratteristico dei materiali mesoporosi.

La distribuzione delle dimensioni dei pori e il volume cumulativo dei pori modellati dalle isoterme hanno mostrato dimensioni dei pori prevalentemente nell'intervallo da due a 50 nanometri, confermando che gli aerogel erano mesoporosi. Gli spettri di impedenza elettrochimica sono stati adattati con un modello di linea di trasmissione basato su un modello di circuito equivalente di Randle modificato. Le capacità specifiche e le aree superficiali specifiche sono state calcolate dai dati EIS.

Questi valori erano coerenti con le capacità specifiche e le aree di superficie determinate da esperimenti di voltammetria ciclica. Abbiamo sviluppato l'idea di questo metodo sulla base della combinazione di soluzioni di metalli nobili da 100 millimolari e agenti riducenti per altri progetti prima di scartarli e osservare la rapida formazione di gel metallici. Una volta padroneggiata, questa tecnica può portare alla produzione di gel di metalli nobili pochi minuti prima delle fasi di risciacquo e asciugatura.

Durante l'esecuzione di questa procedura, ricordarsi di evitare il contatto dei gel metallici con l'interfaccia liquido-aria per evitare la compattazione del gel. Seguendo questa procedura, possono essere eseguiti altri metodi come la biotemplazione per affrontare le sfide del controllo della forma dell'aerogel.