Au, Pd, Pt Aerogels 직접 솔루션 기반 감소를 통해 빠른 합성 방법

이 방법은 미리 형성된 나노 입자가 아닌 수용액에서 금속 에어로겔을 직접 합성할 가능성에 대한 에어로겔 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 졸 겔과 같은 다른 방법은 나노 입자 유착에 훨씬 더 오랜 시간이 필요합니다. 이 기술의 의미는 귀금속 에어로겔의 높은 표면적과 지지 물질의 부족으로 인한 촉매 및 감지 응용 분야로 확장됩니다.

이 방법은 직접 에어로겔 합성에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만, 에어로겔 모놀리식에 대한 더 나은 형상 제어를 달성하기 위해 바이오템플라팅과 같은 다른 합성 기술에도 적용할 수 있습니다. 절차를 시작하려면 탈이온수에 염화 금(III) 삼수화물과 테트라클로로팔라데이트 나트륨의 0.1몰 용액을 각각 2밀리리터씩 준비합니다. 용액을 세게 흔들고 와류로 만들어 염을 용해시킵니다.

팔라듐 용액을 몇 시간 동안 그대로 두어 완전히 용해되도록 합니다. 0.1 몰 칼륨 헥사클로로플라티네이트 2밀리리터를 탈이온수와 에탄올의 부피 혼합물과 1:1로 준비합니다. 소금이 녹을 때까지 혼합물을 세게 흔들고 와류로 만듭니다.

탈이온수에 디메틸아민 보란과 수소화붕소나트륨의 0.1몰 용액을 각각 10밀리리터씩 준비합니다. 완전한 용해를 보장하기 위해 1-2분 동안 용액을 소용돌이치십시오. 그런 다음 0.5ml의 금 용액을 1.7ml 또는 2ml 마이크로 원심분리기 튜브로 옮깁니다.

0.5ml의 DMAB를 튜브에 강제로 피펫팅하여 염과 환원제를 빠르게 혼합합니다. 마이크로 원심분리기 튜브를 랙에 놓고 수소 가스가 빠져나갈 수 있도록 캡을 열어 둡니다. 같은 방법으로 0.5 밀리리터의 백금 용액과 0.5 밀리리터의 DMAB를 결합하고 0.5 밀리리터의 팔라듐 용액을 0.5 밀리리터의 수소화붕소나트륨과 결합하십시오.

반응을 시작한 후 약 5분 후에 마이크로 원심분리기 튜브에 뚜껑을 씌우고 3-5회 부드럽게 뒤집어 금속 겔의 일부가 아닌 금속 입자의 유착을 돕습니다. 즉시 튜브의 뚜껑을 풀고 반전 후 랙에 다시 넣으십시오. 초기 금속 겔을 환원제 용액에 3-6시간 동안 그대로 두어 금속 이온의 완전한 환원과 표면의 자유 에너지 최소화가 이루어질 수 있도록 합니다.

그런 다음 각 튜브에서 과도한 환원제를 조심스럽게 제거하여 반월판이 겔과 접촉하지 않도록 충분한 용액이 남아 있는지 확인합니다. 완전히 채워질 때까지 마이크로 원심분리기 튜브에 탈이온수를 천천히 피펫으로 넣습니다. 그런 다음 50ml 원추형 튜브 3개를 탈이온수로 채웁니다.

각 마이크로 원심분리기 튜브를 탈이온수 튜브에 담그고 각 젤이 미세 원심분리기 튜브에서 더 큰 튜브로 미끄러지도록 합니다. 필요한 경우 주걱으로 젤을 부드럽게 움직입니다. 튜브의 뚜껑을 덮고 젤을 탈이온수에 24시간 동안 그대로 둡니다.

12시간 후에 용제 교환으로 물을 교체하십시오. 물을 교체하는 동안 반월판이 젤에 닿지 않도록 하십시오. 젖은 금속 겔에 대한 EIS 절차를 시작하려면 헹궈진 겔과 반월판이 접촉하지 않도록 가능한 한 많은 물을 제거하십시오.

각 튜브에 50ml의 0.5몰 염화칼륨을 넣고 젤을 24시간 동안 담가둡니다. 그런 다음 가는 강모 브러시를 사용하여 1mm 칼륨 와이어 전극에 무반응성 래커를 코팅하고 끝 부분에 4-5mm를 노출시킵니다. 래커를 20분 동안 건조시킵니다.

같은 방법으로 래커를 한 번 더 바르십시오. 다음으로, 50ml 원뿔형 튜브를 반으로 잘라 전기화학 바이알 역할을 합니다. 포화 은-은 염화물 기준 전극과 0.5mm 칼륨 와이어 상대 전극을 수정된 튜브의 천공 캡 또는 개스킷을 통해 삽입합니다.

세 개의 전극을 전위차 조절기에 연결합니다. 겔이 액체-공기 계면에 닿지 않도록 전해질과 평형 겔을 튜브에 부드럽게 부어 겔 중 하나와 전해질을 수정된 튜브로 옮깁니다. 겔이 튜브 바닥에 가라앉았는지 확인하고 필요한 경우 전해질을 추가합니다.

그런 다음 튜브에 캡을 놓고 필요에 따라 기준 전극과 상대 전극을 조정합니다. 골드 젤의 경우 래커 코팅된 작업 전극의 맨 끝을 젤에 부드럽게 삽입합니다. 팔라듐 및 백금 겔의 경우, 래커 코팅된 작업 전극을 내부 표면을 따라 원뿔형 바이알에 놓고 금속 젤을 노출된 백금 와이어 팁 위에 놓습니다.

100MHz 진폭의 사인파를 사용하여 100MHz에서 1mhertz 사이의 주파수로 전위차 EIS 스캔을 수행합니다. 전류 오버플로가 발생하는 경우 동일한 주파수 범위와 100-200밀리amp 사인파 진폭을 가진 갈바노스태틱 EIS를 사용하십시오. 전기화학적 특성 분석 후, 겔 합성이 끝날 때 설명한 대로 24시간 동안 탈이온수로 겔을 헹굽니다.

그런 다음 반월판이 젤에 닿지 않도록 가능한 한 많은 헹굼을 제거하십시오. 젤을 섭씨 영하 80도에서 30분 동안 얼립니다. 마지막으로, 압력 설정점이 4파스칼 이하인 동결 건조기에서 젤을 동결 건조하여 금속 에어로겔을 얻습니다.

금, 팔라듐 및 백금 에어로겔은 모두 특징적인 소수성을 보였으며 느린 합성 기술에 의해 형성된 겔과 유사한 특성을 가졌습니다. 주사 전자 현미경은 금 에어로겔이 큰 나노 기공과 부드러운 인대를 가지고 있음을 보여주었습니다. 팔라듐과 백금 에어로겔은 융합된 나노 입자와 더 좁은 인대를 가진 beads-on-a-string 구조를 가졌습니다.

백금 에어로겔은 팔라듐 에어로겔보다 거대공극 구조 직경이 더 넓었는데, 이는 백금 나노입자 안정성으로 인해 유착을 유도하기 위해 에탄올을 사용해야 하고 그에 따라 겔 형성 중 큰 수소 가스 기포 진화가 용이하기 때문입니다. X선 회절은 검출 가능한 산화물 없이 각 금속에 대한 특징적인 피크를 보여주었습니다. 질소 가스 물리 흡착 등온선은 메조 다공성 물질의 특징 인 유형 IV였습니다.

등온선에서 모델링된 기공 크기 분포 및 누적 기공 부피는 주로 2-50나노미터 범위의 기공 크기를 보여 에어로겔이 메조다공성임을 확인했습니다. 전기화학적 임피던스 스펙트럼은 수정된 Randle의 등가 회로 모델을 기반으로 하는 전송 라인 모델에 적합했습니다. 특정 커패시턴스 및 특정 표면적은 EIS 데이터에서 계산되었습니다.

이러한 값은 순환 전압전류법 실험에서 결정된 특정 커패시턴스 및 표면적과 일치했습니다. 우리는 100밀리몰 귀금속 용액과 환원제를 다른 프로젝트를 위해 결합하기 전에 이를 폐기하고 금속 겔의 빠른 형성을 관찰하는 것을 기반으로 이 방법에 대한 아이디어를 처음 개발했습니다. 일단 숙달되면 이 기술은 헹굼 및 건조 단계 몇 분 전에 귀금속 젤을 만들 수 있습니다.

이 절차를 시도하는 동안 겔 압축을 방지하기 위해 금속 젤이 액체-공기 계면과 접촉하지 않도록 하십시오. 이 절차에 따라 에어로겔 형상 제어의 문제를 해결하기 위해 바이오템플리팅(biotemplating)과 같은 다른 방법을 수행할 수 있습니다.