Artykuł metodologiczny

Metoda syntezy z szablonami soli dla porowatych makrowiązek i makrorurek na bazie platyny

DOI:

10.3791/61395

⸱

18 maja 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Life Science, United States Military Academy, 2Photonics Research Center, United States Military Academy, 3U.S. Army Combat Capabilities Development Command-Armaments Center, 4United States Army Research Laboratory-Sensors and Electron Devices Directorate, 5Department of Mathematical Sciences, United States Military Academy

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono metodę syntezy pozwalającą na otrzymanie porowatych makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o przekroju kwadratowym poprzez chemiczną redukcję nierozpuszczalnych matryc solnych.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Synteza porowatych nanomateriałów z metali szlachetnych o dużej powierzchni zazwyczaj opiera się na czasochłonnej koalescencji wstępnie uformowanych nanocząstek, po której następuje płukanie i suszenie w stanie nadkrytycznym, co często prowadzi do powstania materiałów kruchych mechanicznie. W artykule przedstawiono metodę syntezy nanostrukturalnych porowatych makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o przekroju kwadratowym z nierozpuszczalnych matryc igieł solnych. Połączenie przeciwnie naładowanych płaskich jonów platyny, palladu i miedzi powoduje szybkie tworzenie się nierozpuszczalnych igieł solnych. W zależności od stosunku stechiometrycznego jonów metali obecnych w matrycy soli i wyboru chemicznego środka redukującego, makrorurki lub makrowiązki tworzą się z porowatą nanostrukturą składającą się ze stopionych nanocząstek lub nanowłókien. Skład pierwiastkowy makrorurek i makrowiązek, określany za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów, jest kontrolowany przez stechiometryczny stosunek jonów metali obecnych w matrycy solnej. Makrorurki i makrowiązki mogą być prasowane w wolnostojące folie, a elektrochemicznie czynną powierzchnię określa się za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej i cyklicznej woltamperometrii. Ta metoda syntezy demonstruje proste, stosunkowo szybkie podejście do uzyskania makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o dużej powierzchni o regulowanej nanostrukturze i składzie pierwiastkowym, które mogą być prasowane w wolnostojące folie bez wymaganych materiałów wiążących.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Liczne metody syntezy zostały opracowane w celu uzyskania porowatych materiałów na bazie platyny o dużej powierzchni, głównie do zastosowań katalizy, w tym ogniw paliwowych1. Jedną ze strategii uzyskania takich materiałów jest synteza monodyspersyjnych nanocząstek w postaci kul, sześcianów, drutów i rurek2,3,4,5. Aby zintegrować dyskretne nanocząstki w porowatą strukturę dla funkcjonalnego urządzenia, często wymagane są spoiwa polimerowe i dodatki węglowe6,7. Strategia ta wymaga dodatkowych etapów przetwarzania, czasu i może prowadzić do spadku wydajności właściwej dla masy, a także aglomeracji nanocząstek podczas długotrwałego użytkowania urządzenia8. Inną strategią jest doprowadzenie do koalescencji zsyntetyzowanych nanocząstek do żelu metalowego, a następnie suszenie w stanie nadkrytycznym9,10,11. Podczas gdy postępy w podejściu do syntezy zol-żel dla metali szlachetnych skróciły czas żelowania z tygodni do godzin lub minut, powstałe monolity są zwykle kruche mechanicznie, co utrudnia ich praktyczne zastosowanie w urządzeniach12.

Stopowe i wielometaliczne 3-wymiarowe porowate nanostruktury ze stopu platyny oferują możliwość dostrajania specyficzności katalitycznej, a także rozwiązują problem wysokich kosztów i względnego niedoboru platyny13,14. Chociaż pojawiło się wiele doniesień o platynowo-palladowym15,16 i platynowo-miedzianym17,18,19 dyskretnych nanostruktur, a także innych kombinacji stopów20, istniało niewiele strategii syntezy w celu osiągnięcia techniki opartej na roztworze dla 3-wymiarowego stopu platyny i struktur wielometalicznych.

Ostatnio zademonstrowaliśmy użycie roztworów soli o wysokim stężeniu i środków redukujących do szybkiego uzyskania żeli złota, palladu i platyny21,22. Roztwory soli o wysokim stężeniu i środki redukujące zostały również wykorzystane do syntezy biopolimerowych kompozytów metali szlachetnych przy użyciu żelatyny, celulozy i jedwabiu23,24,25,26. Sole nierozpuszczalne reprezentują najwyższe stężenia jonów dostępne do redukcji i zostały wykorzystane przez Xiao i współpracowników do zademonstrowania syntezy 2-wymiarowych tlenków metali27,28. Rozszerzając demonstrację porowatych aerożeli i kompozytów z metali szlachetnych z roztworów soli o wysokim stężeniu i wykorzystując wysoką gęstość dostępnych jonów nierozpuszczalnych soli, użyliśmy soli i pochodnych Magnusa jako szablonów kształtów do syntezy porowatych makrorurek i makrowiązek z metali szlachetnych29,30,31,32.

Sole Magnusa powstają z dodatku przeciwnie naładowanych, kwadratowych płaskich jonów platyny [PtCl4]2- i [Pt(NH3)4]2+ 33. W podobny sposób sole Vauqueliny powstają z połączenia przeciwnie naładowanych jonów palladu, [PdCl4]2- i [Pd(NH3)4]2+ 34. Przy stężeniu soli prekursorowej wynoszącym 100 mM, powstałe kryształy soli tworzą igły o długości od 10 do 100 mikrometrów i szerokości kwadratu od około 100 nm do 3 μm. Podczas gdy matryce soli są neutralne pod względem ładunku, różnicowanie stechiometrii pochodnych soli Magnusa między gatunkami jonów, w tym [Cu(NH3)4]2+, umożliwia kontrolę nad wynikającymi z tego zredukowanymi stosunkami metali. Połączenie jonów i wybór chemicznego środka redukującego daje w wyniku makrorurki lub makrowiązki o kwadratowym przekroju i porowatej nanostrukturze składającej się ze stopionych nanocząstek lub nanowłókien. Makrorurki i makrowiązki wciśnięto również w wolnostojące folie, a powierzchnię czynną elektrochemicznie określono za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej i woltamperometrii cyklicznej. Podejście oparte na szablonie soli zostało wykorzystane do syntezy makrorurek platynowych29, macrobeams platynowo-palladowe31, a także w celu obniżenia kosztów materiałów i dostrojenia aktywności katalitycznej poprzez włączenie miedzi, makrorurki miedziano-platynowe32. Metodę templacji soli zademonstrowano również dla binarnych i trójskładnikowych makrorurek metalowych i nanopianek Au-Pd i Au-Pd-Cu oraz nanopianek30.

Tutaj prezentujemy metodę syntezy platynowych, platynowo-palladowych i miedziano-platynowych bimetalicznych porowatych makrorurek i makrowiązek z nierozpuszczalnych szablonów igieł solnych Magnusa29,31,32. Kontrola stechiometrii jonów w szablonach igieł solnych zapewnia kontrolę nad wynikowymi proporcjami metali po redukcji chemicznej i może być weryfikowana za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów. Powstałe makrorurki i makrobelki można montować i formować w wolnostojącą folię z naciskiem ręcznym. Otrzymane warstwy wykazują wysokie powierzchnie elektrochemicznie czynne (ECSA) określone za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej i woltamperometrii cyklicznej w elektrolicieH2SO4 i KCl. Metoda ta zapewnia drogę syntezy do kontrolowania składu metali na bazie platyny, porowatości i nanostruktury w szybki i skalowalny sposób, który można uogólnić na szerszy zakres matryc soli.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

UWAGA: Przed użyciem zapoznaj się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki chemicznej (SDS). Podczas przeprowadzania reakcji chemicznych należy stosować odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym stosowanie dygestorium i środków ochrony osobistej. Szybkie wydzielanie się wodoru podczas redukcji elektrochemicznej może powodować wysokie ciśnienie w rurach reakcyjnych, powodując pękanie nasadek i rozpylanie roztworów. Upewnij się, że nasadki probówek reakcyjnych pozostają otwarte, jak określono w protokole. Wszystkie redukcje elektrochemiczne należy przeprowadzić w dygestorium.

1. Przygotowanie szablonu pochodnych soli Magnusa

UWAGA: Wszystkie szablony soli powinny być chemicznie zredukowane w ciągu kilku godzin po przygotowaniu, ponieważ długotrwałe przechowywanie powoduje degradację struktury soli. Ta metoda opisuje każdą makrorurkę i produkt makrowiązki na bazie platyny. Aby uzyskać dodatkową specyficzną wydajność produktu, należy przeprowadzić metodę z replikami zestawów roztworów soli i środków redukujących.

  1. Przygotuj roztwory soli metali.
    1. Dodać 0,4151 g K2PtCl4 do 10 ml wody dejonizowanej, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór "Pt2-".
    2. Dodać 0,3521 g Pt(NH3)4Cl2∙H2O do 10 ml wody dejonizowanej, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór "Pt2+".
    3. Dodać 0,2942 g Na2PdCl4 do 10 ml wody dejonizowanej, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór "Pd2-".
    4. Dodać 0,2458 g Cu(NH3)4SO4∙H2O do 10 ml wody dejonizowanej, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór "Cu2+".
    5. Energicznie wstrząsaj i wiruj roztwory soli platyny i miedzi, aby pomóc w rozpuszczeniu soli, aż do całkowitego rozpuszczenia.
  2. Przygotuj szablony igieł z soli platyny.
    1. Aby przygotować sole Magnusa o stosunku 1:1 Pt2 + :Pt 2-, odpipetuj 0,5 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge. Mocno odpipetować 0,5 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
      UWAGA: Roztwór będzie miał nieprzezroczysty jasnozielony kolor. Zastosowanie 50 mM K2PtCl4 i Pt(NH3)4Cl2∙H2O spowoduje powstanie dłuższych i szerszych igieł solnych dla większych makrorurek platynowych po redukcji chemicznej29. Pipetowanie z dużą siłą polega na dozowaniu pełnej objętości odczynnika w ciągu 1 sekundy, aby zapewnić szybkie mieszanie chemikaliów w probówkach do mikrofuge.
  3. Przygotuj szablony igieł z solą platynowo-palladową.
    UWAGA: Stosunek jonów platyny i palladu w matrycy soli jest oznaczony jakoPt 2 + :P d2-:P t2-. sole zawierające wyłącznie platynę przygotowane w kroku 1.2.1. równa się stosunkowi 1:0:1.
    1. Aby przygotować proporcje soli 1:1:0, odpipetować 0,5 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O do probówki do mikrofuge. Na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM Na2PdCl4 do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
    2. Aby przygotować stosunek soli 2:1:1, odpipetuj 0,25 ml 100 mM Na2PdCl4 i 0,25 ml 100 mM K2PtCl4 w probówce do mikrofuge. Wiruj rurkę do mikrofuge przez 3-5 sekund. Następnie na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
    3. Aby przygotować roztwór soli w proporcji 3:1:2, należy odpipetować 0,167 ml 100 mM Na2PdCl4 i 0,333 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge. Wiruj rurkę do mikrofuge przez 3-5 sekund. Następnie na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
      UWAGA: Wyższy stosunek platyny w matrycach soli powinien dać bardziej zielony kolor, podczas gdy zwiększenie zawartości palladu skutkuje bardziej pomarańczowym, różowym i brązowym kolorem w roztworze. Roztwory będą miały nieprzezroczysty wygląd.
  4. Przygotuj szablony igieł z solą miedziano-platynową.
    UWAGA: Proporcje jonów miedzi i platyny w matrycach solnych są oznaczone jako Pt2-:P t2+: Cu2+. Stosunek 1:1:0 odpowiada solom zawierającym tylko platynę przygotowanym w kroku 1.2.1.
    1. Aby przygotować proporcje soli 1:0:1, odpipetować 0,5 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge. Na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM Cu(NH3)4SO4∙H2O do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
    2. Aby przygotować stosunek soli 3:1:2, odpipetować 0,167 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O i 0,333 ml 100 mM Cu(NH3)4SO4·H2O do probówki do mikrofuge. Wiruj rurkę do mikrofuge przez 3-5 sekund. Następnie na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
    3. Aby przygotować stosunek soli 2:1:1, odpipetować 0,25 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O i 0,25 ml 100 mM Cu(NH3)4SO4·H2O do probówki do mikrodymy. Wiruj rurkę do mikrofuge przez 3-5 sekund. Następnie na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
    4. Aby przygotować proporcje soli 1:1:0, odpipetować 0,5 ml 100 mM Pt(NH3)4Cl2∙H2O do probówki do mikrofuge. Na siłę odpipetować 0,5 ml 100 mM K2PtCl4 do probówki do mikrofuge, aby uzyskać łącznie 1 ml roztworu szablonu igieł solnych.
      UWAGA: Połączenie jonów miedzi i platyny tworzy fioletowy, mętny roztwór, który nie jest tak nieprzezroczysty jak roztwory z kroków 1.2 i 1.3. Pozostawienie roztworów soli Magnusa na 24 godziny lub dłużej spowoduje, że matryce ulegną degradacji i zmienią kolor na fioletowo-szary lub.
  5. Obrazowanie za pomocą spolaryzowanego mikroskopu optycznego (POM) szablonów igieł solnych
    1. Odpipetować 0,05 ml roztworów soli przygotowanych w krokach 1.2 – 1.4 na szkiełko podstawowe i zamontować na stoliku spolaryzowanego mikroskopu optycznego. Dostosuj ostrość do igieł solnych i obracaj polaryzatory krzyżowe, aż tło stanie się czarne.
      UWAGA: Jeśli roztwory soli nie wykazują struktur przypominających igły z obrazowaniem POM, sprawdź jakość wody używanej do przygotowania roztworu soli. Tworzenie igieł solnych jest wrażliwe zarówno na wysokie, jak i niskie pH.

2. Redukcja chemiczna szablonu soli

UWAGA: DMAB jest toksyczny. Unikaj wdychania pyłu i kontaktu ze skórą poprzez noszenie środków ochrony indywidualnej i wykonuj wszystkie związane z tym zadania w dygestorium.

  1. Przygotowanie roztworów środków redukujących
    1. Dodać 0,7568 g borowodorku sodu (NaBH4) do 200 ml wody dejonizowanej w zlewce o pojemności 500 ml, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór NaBH4. Mieszać roztwór szpatułką, aż NaBH4 całkowicie się rozpuści.
    2. Wlać 50 ml 0,1 M roztworu NaBH4 do stożkowej probówki o pojemności 50 ml. Powtórz 3 razy.
    3. Dodaj 1,1768 g dimetyloaminoboranu (DMAB) do 200 ml dejonizowanej wody w zlewce o pojemności 500 ml, aby przygotować 0,1 M (100 mM) roztwór DMAB.
    4. Wlać 50 ml 0,1 M roztworu DMAB do stożkowej probówki o pojemności 50 ml. Powtórz 3 razy.
  2. Dodawanie soli do roztworów środków redukujących
    1. W dygestorium odpipetować całą objętość 1 ml każdego z roztworów soli z kroków 1.2 i 1.3 do każdej z 4 stożkowych probówek o pojemności 50 ml ze środkiem redukującym 0,1 M NaBH4. Pozwól, aby redukcja chemiczna trwała przez 24 godziny z nakrętką zdjętą z tuby.
    2. W dygestorium odpipetować całą objętość 1 ml każdego z roztworów szablonów soli z kroku 1.4 do każdej z 4 stożkowych probówek o pojemności 50 ml ze środkiem redukującym 0,1 M DMAB. Odczekać, aby redukcja elektrochemiczna trwała przez 24 godziny z nakrętką zdjętą z rurki.
      UWAGA: Po dodaniu 1 ml soli Magnusa środek redukujący zmieni kolor na mętno-i zacznie energicznie tworzyć gazowy wodór. Pozostawienie zdjętych stożkowych nasadek rurki zapobiega wzrostowi ciśnienia wodoru oraz potencjalnemu wybuchowi i rozpyleniu roztworów. Luźny parafilm lub folia mogą być umieszczone na rurach, jeśli zanieczyszczenie pyłem stanowi problem.
  3. Płukanie zredukowanych makrorurek i makrowiązek
    1. Po 24 godzinach od redukcji powoli zdekantować supernatant każdego ze zredukowanych 50 ml chemicznych roztworów redukcyjnych do pojemnika na odpady i upewnić się, że nie wylewa się próbek z probówek.
    2. Wlać każdy z osadów do nowych stożkowych probówek o pojemności 50 ml. Może być konieczne użycie szpatułki w celu usunięcia próbki przylegającej do ścianek bocznych probówki. Napełnij każdą z nowych probówek 50 ml wody dejonizowanej i umieść na kołysku z nakrętkami probówek zabezpieczonymi na niskim poziomie na 24 godziny.
    3. Wyjmij probówki z wahacza i umieść pionowo w stojaku na probówki na 15 minut, aby próbki mogły się osadzić. Powoli wylać supernatant z górnej części probówki do pojemnika na odpady. Napełnij probówkę 50 ml wody dejonizowanej i umieść na bujaku z zabezpieczonymi nakrętkami rurki na dodatkowe 24 godziny.
    4. Wyjmij probówki z bujaczka i umieść je pionowo w stojaku na probówki na 15 minut. Wylej supernatant z górnej części probówki do pojemnika na odpady.
      UWAGA: Supernatant będzie miał przezroczysty lub szary kolor, a osad będzie czarnym i zazwyczaj osadem na dnie stożkowych rurek. Jeśli nalewanie supernatantu powoduje mieszanie i ponowne zawieszenie zredukowanego produktu, należy umieścić probówkę pionowo w stojaku i odczekać około 15 minut przed ponownym nalnięciem. Niewielka objętość wody pozostanie zmieszana z produktem.

3. Przygotuj filmy makrorurkowe i makrowiązkowe

  1. Suszenie próbek na szkiełkach podstawowych
    1. Odpipetować jak najwięcej supernatantu z probówek o pojemności 50 ml, nie usuwając produktu redukującego.
    2. Za pomocą szpatułki delikatnie przenieś wytrącony materiał na szklane szkiełko. Za pomocą szpatułki skonsolidować próbkę w stos o jednolitej wysokości około 0,5 mm.
      UWAGA: Im więcej wody zostanie usunięte z próbki probówki o pojemności 50 ml przed przeniesieniem zredukowanego materiału do szkiełka, tym łatwiejszy jest transfer. To sprawia, że materiał zachowuje się bardziej jak pasta. Zagęszczenie próbki i jednolita wysokość pomagają w prasowaniu folii po wysuszeniu.
    3. Szkiełka podstawowe ze zredukowanymi próbkami należy umieścić w miejscu, które nie będzie zakłócane przez prądy powietrza. Suszyć próbki przez 24 godziny w temperaturze otoczenia.
      UWAGA: Jeśli do dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), woltamperometrii cyklicznej (CV) lub innych badań potrzebnych jest więcej próbek, wiele zredukowanych próbek o tym samym stosunku soli można skonsolidować na tym samym szkiełku w celu wysuszenia.
  2. Prasowanie próbek i masowanie materiałów
    1. Umieścić drugie szkiełko podstawowe na szkiełku podstawowym z wysuszoną masą zredukowanych próbek. Palcami dociśnij szklane szkiełko nad materiałem z dużą siłą (około 200 kPa), aby utworzyć cienką warstwę makrorurek lub makrowiązek.
      UWAGA: Wciśnięcie zredukowanego materiału między szkiełka powinno skutkować powstaniem wolnostojącej folii. Od czasu do czasu dociskanie wysuszonej masy makrorurek lub makrowiązek powoduje powstanie wielu fragmentów filmu. Folie można przycinać, dociskając żyletką.

4. Charakterystyka materiałowa i elektrochemiczna

  1. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM): Przymocuj cienką warstwę lub upuść próbkę proszku za pomocą taśmy węglowej na kikutu próbki SEM. Początkowo do wykonywania obrazowania należy użyć napięcia przyspieszającego 15 kV i prądu wiązki 2,7 - 5,4 pA. Pomniejsz obszar próbki i zbierz widma rentgenowskie z dyspersją energii (EDS), aby określić ilościowo skład pierwiastków.
  2. Dyfraktometria rentgenowska (XRD): Umieścić makroprobówkę lub wysuszoną próbkę makrowiązki w uchwycie na próbki. Alternatywnie, umieść cienkowarstwowy fragment próbki, tak jak w kroku 4.1, na szklanym szkiełku. Wykonaj skany XRD dla kątów dyfrakcji 2Θ od 5° do 90° przy 45 kV i 40 mA przy promieniowaniu Cu Kα (1,54060 A), kroku 2Θ 0,0130 ° i 20 s na krok.
    UWAGA: XRD można wykonać zarówno dla próbek prasowanych, jak i nieprasowanych. Uchwyty na próbki proszku zazwyczaj wymagają znacznej ilości materiałów i zaleca się stosowanie prasowanych cienkich folii.
  3. Rentgenowska mikroskopia fotoelektronowa (XPS): Użyj monochromatycznego źródłaα Al K o rozmiarze plamki 100 μm, wiązce promieniowania rentgenowskiego 25 W i kącie startu 45°, ciśnieniu roboczym < 6 x 10-6 Pa. Zneutralizuj ładowanie powierzchniowe za pomocą niskonapięciowej wiązki Ar-ion i neutralizatora elektronów tlenku baru. Ustaw energię przepuszczania analizatora na 55 eV, aby uzyskać skany o wysokiej rozdzielczości.
  4. Charakterystyka elektrochemiczna
    1. Zmierz masę próbek sprasowanej folii, aby znormalizować pomiary elektrochemiczne za pomocą miligramów materiałów aktywnych.
    2. Przenieść próbki folii do fiolki elektrochemicznej za pomocą płaskiej pęsety lub delikatnie przesuwając folię ze szklanego szkiełka na wewnętrzną ściankę boczną fiolki. Delikatnie odpipetować elektrolit 0,5 M H2SO4 lub 0,5 M KCl na próbki folii i pozostawić na 24 godziny.
    3. Użyj 3-elektrodowego ogniwa z elektrodą referencyjną Ag/AgCl (3 M NaCl), elektrodą pomocniczą/przeciwelektrodą z drutu Pt o średnicy 0,5 mm i pokrytą lakierem platynową elektrodą roboczą o średnicy 0,5 mm. Umieść drut pokryty lakierem z odsłoniętą końcówką o średnicy 1 mm w kontakcie z górną powierzchnią aerożelu na dnie fiolki elektrochemicznej22.
    4. Wykonać elektrochemiczną spektroskopię impedancji (EIS) od 1 MHz do 1 mHz z falą sinusoidalną 10 mV przy napięciu 0 V (w porównaniu z Ag/AgCl).
    5. Wykonaj woltamperometrię cykliczną (CV) w zakresie napięcia od -0,2 do 1,2 V (w porównaniu z Ag/AgCl) z szybkością skanowania 0,5, 1, 5, 10, 25, 50, 75 i 100 mVs-1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dodanie przeciwnie naładowanych, kwadratowych płaskich jonów metali szlachetnych powoduje niemal natychmiastowe powstanie kryształów soli o wysokim współczynniku kształtu. Liniowe układanie kwadratowych płaskich jonów jest pokazane schematycznie w Rysunek 1, z spolaryzowanymi obrazami mikroskopii optycznej ujawniającymi igły soli o długości od 10 do 100 mikrometrów. Stężenie 100 mM zastosowano dla wszystkich roztworów soli platyny, palladu i miedzi. Podczas gdy szablony igieł solnych są neut...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta metoda syntezy demonstruje proste, stosunkowo szybkie podejście do uzyskania makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o dużej powierzchni o regulowanej nanostrukturze i składzie pierwiastkowym, które mogą być prasowane w wolnostojące folie bez wymaganych materiałów wiążących. Zastosowanie pochodnych soli Magnusa jako szablonów w kształcie igieł o wysokim współczynniku kształtu zapewnia środki do kontrolowania wynikowego składu metalu za pomocą stechiometrii soli-matrycy, a w połączeniu z wyborem środka redukującego, ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została sfinansowana z grantu Funduszu Badań nad Rozwojem Wydziału Akademii Wojskowej Stanów Zjednoczonych. Autorzy są wdzięczni za pomoc dr. Christopherowi Hainesowi z Dowództwa Rozwoju Zdolności Bojowych Armii Stanów Zjednoczonych. Autorzy chcieliby również podziękować dr Joshua Maurerowi za użycie FIB-SEM w U.S. Army CCDC-Armaments Center w Watervliet w stanie Nowy Jork.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Probówki stożkowe 50 mlCorning Costar Corp.430290
Ag/AgCl Elektroda referencyjnaBASiMF-2052
Cu(NH3)4SO4Ÿ i byka; H2OSigma-Aldrich10380-29-7
boran dimetyloaminy (DMAB)Sigma-Aldrich74-94-2
K2PtCl4Sigma-Aldrich10025-99-7
Miccrostop LacquerTober Chemical DivisionNA
Na2PdCl4Sigma-Aldrich13820-40-1
NaBH4Sigma-Aldrich16940-66-2
Polaryzacyjny mikroskop optycznyAmScopePZ300JC
PotencjostatBiologic-USAVMP-3Analiza elektrochemiczna-EIS, CV
Pt drut elektrodowyBASiMF-4130
Pt(NH3)4Cl2Ÿ i byka; H2OSigma-Aldrich13933-31-8
Skaningowy mikroskop elektronowyFEIHelios 600EDS wykonany z tym SEM
Shelf RockerThermo ScientificVari-Mix™ Probówki
, 1,7 mlCole ParmerUX-06333-60
Dyfraktometr rentgenowskiPanalyticalEmpireumdyfraktometria rentgenowska
Rentgenowski spektrometr fotoelektronówrentgenowskich ULVAC PHI - Elektronika fizycznaVersaProbe III
mikrowirówkowe z zatrzaskiem platformowym

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, A., Holt-Hindle, P. Platinum-Based Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Applications. Chemical Reviews. 110 (6), 3767-3804 (2010).
  2. Narayanan, R., El-Sayed, M. A. Shape-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanoparticles in Colloidal Solution. Nano Letters. 4 (7), 1343-1348 (2004).
  3. Wang, C., Daimon, H., Onodera, T., Koda, T., Sun, S. A General Approach to the Size and Shape-Controlled Synthesis of Platinum Nanoparticles and Their Catalytic Reduction of Oxygen. Angewandte Chemie International Edition. 47 (19), 3588-3591 (2008).
  4. Song, Y., et al. Synthesis of Platinum Nanowire Networks Using a Soft Template. Nano Letters. 7 (12), 3650-3655 (2007).
  5. Liu, L., Yoo, S. H., Park, S. Synthesis of Vertically Aligned Hollow Platinum Nanotubes with Single Crystalline Nanoflakes. Chemistry of Materials. 22 (8), 2681-2684 (2010).
  6. Ehrburger, P., Mahajan, O. P., Walker, P. L. Carbon as a support for catalysts: I. Effect of surface heterogeneity of carbon on dispersion of platinum. Journal of Catalysis. 43 (1), 61-67 (1976).
  7. Liu, H. S., et al. A review of anode catalysis in the direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources. 155 (2), 95-110 (2006).
  8. Zhang, S., et al. A review of platinum-based catalyst layer degradation in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources. 194 (2), 588-600 (2009).
  9. Wei, L., et al. Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 52 (37), 9849-9852 (2013).
  10. Liu, W., et al. Noble Metal Aerogels-Synthesis, Characterization, and Application as Electrocatalysts. Accounts of Chemical Research. 48 (2), 154-162 (2015).
  11. Naskar, S., et al. Porous Aerogels from Shape-Controlled Metal Nanoparticles Directly from Nonpolar Colloidal Solution. Chemistry of Materials. 29 (21), 9208-9217 (2017).
  12. Du, R., et al. Emerging Noble Metal Aerogels: State of the Art and a Look Forward. Matter. 1 (1), 39-56 (2019).
  13. Qiu, X., et al. Template-engaged synthesis of hollow porous platinum–palladium alloy nanospheres for efficient methanol electro-oxidation. Journal of Power Sources. 302, 195-201 (2016).
  14. Yamauchi, Y., et al. Electrochemical Synthesis of Mesoporous Pt–Au Binary Alloys with Tunable Compositions for Enhancement of Electrochemical Performance. Journal of the American Chemical Society. 134 (11), 5100-5109 (2012).
  15. Lim, B., et al. Twin-Induced Growth of Palladium–Platinum Alloy Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 48 (34), 6304-6308 (2009).
  16. Lim, B., et al. Pd-Pt Bimetallic Nanodendrites with High Activity for Oxygen Reduction. Science. 324 (5932), 1302-1305 (2009).
  17. Han, L., et al. A seed-mediated approach to the morphology-controlled synthesis of bimetallic copper-platinum alloy nanoparticles with enhanced electrocatalytic performance for the methanol oxidation reaction. Journal of Power Sources. 286, 488-494 (2015).
  18. Xu, C., et al. Nanotubular Mesoporous PdCu Bimetallic Electrocatalysts toward Oxygen Reduction Reaction. Chemistry of Materials. 21 (14), 3110-3116 (2009).
  19. Xu, D., et al. Solution-Based Evolution and Enhanced Methanol Oxidation Activity of Monodisperse Platinum-Copper Nanocubes. Angewandte Chemie International Edition. 48 (23), 4217-4221 (2009).
  20. Stamenkovic, V. R., et al. Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability. Science. 315 (5811), 493-497 (2007).
  21. Burpo, F. J., et al. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research. 32 (22), 4153-4165 (2017).
  22. Burpo, F. J., et al. A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction. Journal of Visualized Experiments. (136), e57875(2018).
  23. Burpo, F. J., Mitropoulos, A. N., Nagelli, E. A., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. Gelatin biotemplated platinum aerogels. MRS Advances. , 1-6 (2018).
  24. Burpo, F., et al. Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Molecules. 23 (6), 1405(2018).
  25. Burpo, F. J., et al. Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Journal of Visualized Experiments. (147), e59176(2019).
  26. Mitropoulos, A. N., et al. Metal Composite Porous Silk Fibroin Aerogel Fibers. Materials. 12 (6), 894(2019).
  27. Xiao, X., et al. Salt-Templated Synthesis of 2D Metallic MoN and Other Nitrides. ACS Nano. 11 (2), 2180-2186 (2017).
  28. Xiao, X., et al. Scalable salt-templated synthesis of two-dimensional transition metal oxides. Nature Communications. 7, 11296(2016).
  29. Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Hierarchically Porous Platinum Macrotube Synthesis. Chemistry Select. 3 (16), 4542-4546 (2018).
  30. Burpo, F., Nagelli, E., Morris, L., Woronowicz, K., Mitropoulos, A. Salt-Mediated Au-Cu Nanofoam and Au-Cu-Pd Porous Macrobeam Synthesis. Molecules. 23 (7), 1701(2018).
  31. Burpo, F. J., et al. Salt-templated platinum-palladium porous macrobeam synthesis. MRS Communications. 9 (1), 280-287 (2019).
  32. Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Platinum-Copper Porous Macrobeams for Ethanol Oxidation. Catalysts. 9 (8), 662(2019).
  33. Magnus, G. Ueber einige Verbindungen des Platinchlorürs. Annalen der Physik. 90 (10), 239-242 (1828).
  34. Vauquelin, N. L. Memoire sur le Palladium et le Rhodium. Annales de Chimie. 88, 167-198 (1813).
  35. Bremi, J., et al. From Vauquelin's and Magnus' Salts to Gels, Uniaxially Oriented Films, and Fibers: Synthesis, Characterization, and Properties of Tetrakis(1-aminoalkane)metal(II) Tetrachlorometalates(II). Chemistry of Materials. 11 (4), 977-994 (1999).
  36. Bremi, J., Caseri, W., Smith, P. A new compound derived from Magnus' green salt: solid state structure and evidence for platinum chains in solution. Journal of Materials Chemistry. 11 (10), 2593-2596 (2001).
  37. Caseri, W. Derivatives of Magnus' Green Salt. Platinum Metals Review. 48 (3), 91(2004).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Porowate maktrubki platynowenanomateria y z stop w platynydyfraktometria rentgenowskaspektroskopia impedancyjna elektrochemicznawoltametria cyklicznaskaningowa mikroskopia elektronowaspektroskopia rentgenowska z dyspersj energiispektroskopia fotoelektron w w promieniach Xwolnostoj ce filmy

Powiązane artykuły