Metoda syntezy aerożeli kompozytowych z biofibry palladowej z nanowłókien celulozowych

Ta metoda wykorzystująca biopolimerowe hydrożele kowalencyjne z nanowłókien celulozowych w celu uzyskania kompozytu aerożelowego palladowo-metalicznego może być uogólniona na szeroki zakres matryc biopolimerowych i metali. Ta metoda syntezy aerożelu kompozytowego wykorzystuje nanowłókna celulozy jako bioszablon w celu uzyskania kontroli zarówno nad nanostrukturą palinowo-metalową, jak i makroskopowym kształtem monolitu aerożelowego. Kontrola kształtu i integralność mechaniczna bioszablonowych aerożeli metalowych powinna ułatwić zastosowania w katalizie, magazynowaniu energii i wykrywaniu.

Metoda ta może być zastosowana do dalszego rozwoju biopolimerowych matryc węglowo-metalicznych oraz do uzyskania lepszej kontroli trójwymiarowych nanostruktur w kompozytowych materiałach aerożelowych. Aby przygotować roztwór nanowłókien celulozowych, najpierw wymieszaj 1,5 grama nanowłókien karboksymetylocelulozy z 50 mililitrami wody dejonizowanej. Po wstrząśnieniu należy wirować roztwór przez jedną minutę, a następnie 24-godzinną inkubację w sonikatorze kąpielowym w temperaturze otoczenia, aby zapewnić całkowite wymieszanie.

Następnego ranka dodaj 0,959 grama EDC i 0,195 grama buforu MES do 2,833 mililitra wody dejonizowanej. Następnie dostosuj końcową objętość do 10 mililitrów i pH 4,5 za pomocą jednomolowego kwasu solnego i wody dejonizowanej. Następnie przenieś 0,25 mililitra 3% roztworu nanowłókien celulozowych do każdej z sześciu probówek do mikrofuge i osadź nanowłókna przez odwirowanie.

Użyj pipety, aby zassać nadmiar wody powyżej zagęszczonych nanowłókien, unikając kontaktu z górną powierzchnią. Dodaj jeden mililitr roztworu sieciującego EDC i diaminy powyżej zagęszczonych nanowłókien celulozowych w każdej probówce do mikrofuge. Odczekaj co najmniej 24 godziny, aż roztwór sieciujący dyfunduje przez żele, aby usieciować nanowłókna celulozy.

Następnie odessać supernatant roztworu sieciującego z probówek do mikrofug i zanurzyć probówki do mikrofiltrów w jednym litrze wody dejonizowanej na co najmniej 24 godziny z otwartymi nakrętkami, aby usunąć nadmiar roztworu sieciującego z hydrożeli z nanowłókien. Następnego dnia dodaj około 0,5 mililitra jednego 3% roztworu nanowłókien celulozowych w dejonizowanej wodzie do stolika próbki spektrometru podczerwieni z transformacją Fouriera i zeskanuj procentową przepuszczalność dla 650 do 4 000 odwrotnych centymetrów. Aby przygotować roztwór palladu, należy wirować 10 mililitrów jednomolowego chlorku palladowo-amonowego przez 15 sekund przed rozcieńczeniem roztworu do objętości jednego mililitra w stężeniach jedno, 10, 50, 100, 500 i 1000-milimolowych w wodzie dejonizowanej.

Następnie dodaj jeden mililitr każdego rozcieńczenia do wierzchu poszczególnych próbek hydrożelu z nanowłókien celulozowych i pozwól roztworom palladu zrównoważyć się w hydrożelach przez 24 godziny. Następnego dnia przygotuj 60 mililitrów dwumolowego borowodorku sodu i odpipetuj 10 mililitrów do każdej z sześciu 15-mililitrowych stożkowych rurek w okapie wyciągowym i przenieś probówki z hydrożelami z nanowłókien celulozowych o równowadze palladu do okapu wyciągowego. Nosząc odpowiednie środki ochrony osobistej, odwróć jedną probówkę do mikrowirówki i delikatnie postukaj w probówkę, aby usunąć hydrożel, używając płaskiej pęsety, aby przenieść hydrożel do jednej z probówek z borowodorkiem sodu.

Po 24 godzinach przenieś każdy zredukowany hydrożel do drugiego 24-godzinnego, 0,5-molowego roztworu redukującego borowodorek sodu, a następnie przepłucz żele kompozytowe z nanowłókien celulozy i palladu w 50 mililitrach wody dejonizowanej w nowych stożkowych probówkach. Wymień wodę dejonizowaną po 12 godzinach i pozwól żelom spłukiwać się przez co najmniej dodatkowe 12 godzin. Następnie za pomocą płaskiej pęsety przenieś wypłukane żele z nanowłókien celulozowych i palladu do kolejnych 50-mililitrowych objętości roztworów 25%50%75% i 100% etanolu przez co najmniej sześć godzin na roztwór.

Po ostatniej wymianie rozpuszczalnika wysuszyć hydrożele w suszarce nadkrytycznej z dwutlenkiem węgla, o nastawie 35 stopni Celsjusza i 1200 funtów na cal kwadratowy. Po zakończeniu suszenia należy odczekać, aby komora zrównoważyła się przez co najmniej 12 godzin przed otwarciem suszarki w celu usunięcia aerożeli. Aby scharakteryzować aerożele kompozytowe za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, użyj żyletki, aby pociąć każdy żel na odcinki o grubości od jednego do dwóch milimetrów, a następnie użyj taśmy węglowej, aby przymocować cienką warstwę próbki do próbki ze skaningowego mikroskopu elektronowego.

Załaduj króciec do mikroskopu i użyj początkowego przyspieszającego napięcia 15 kilowoltów i prądu wiązki od 2,7 do 5,4 pikoampera, aby zobrazować próbkę. Aby przeanalizować aerożele za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej, umieść aerożel z nanowłókien celulozy i palladu w uchwycie na próbkę i wyrównaj górną część aerożelu z górną częścią uchwytu. Następnie wykonaj skany dyfrakcji rentgenowskiej dla kątów dyfrakcji dwóch theta od pięciu do 90 stopni przy 45 kilowoltach i 40 miliamperach z miedzianym promieniowaniem K-alfa, krokiem o rozmiarze dwóch theta 0130 stopni i 20 sekund na krok.

W przypadku termicznej analizy grawimetrycznej należy umieścić próbkę aerożelu w tyglu przyrządu i przeprowadzić analizę, przepływając gazowy azot z prędkością 60 mililitrów na minutę z ogrzewaniem o 10 stopni na minutę od temperatury otoczenia do 700 stopni Celsjusza. W przypadku adsorpcji-desorpcji azotu próbki należy odgazowywać przez 24 godziny w temperaturze pokojowej, a następnie użyć azotu w temperaturze minus 196 stopni Celsjusza jako gazu testowego z czasami równowagi dla adsorpcji i desorpcji wynoszącymi odpowiednio 60 i 120 sekund. W celu charakterystyki elektrochemicznej zanurz próbki aerożelu w 0,5-molowym elektrolicie kwasu siarkowego na 24 godziny przed umieszczeniem pokrytego lakierem drutu z odsłoniętą końcówką o grubości jednego milimetra w kontakcie z górną powierzchnią aerożelu na dnie fiolki elektrochemicznej.

Następnie użyj ogniwa trzyelektrodowego z pomocniczą przeciwelektrodą z drutu platynowego o średnicy 0,5 milimetra i pokrytą lakierem platynową elektrodą roboczą o średnicy 0,5 milimetra do wykonania elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej od jednego megaherca do jednego miliherca z 10-miliwoltową falą sinusoidalną i woltamperometrią cykliczną przy użyciu zakresu napięcia od minus 0,2 do 1,2 V z szybkością skanowania 10, 25, 50 i 75 miliwoltów na sekundę. Spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera można przeprowadzić, jak wykazano, w celu potwierdzenia sieciowania hydrożelu z nanowłókien celulozy. Tutaj pokazano kowalencyjnie usieciowane hydrożele z nanowłókien celulozy przed i po zrównoważeniu w zakresie stężeń chlorku palladu amonu lub chlorku palladu sodu.

Tutaj pokazano żele o zredukowanej celulozie z nanowłókien i palladu przed i po suszeniu kompozytu aerożelowego w stanie nadkrytycznym. Ogólnie rzecz biorąc, aerożele prezentują połączone ze sobą więzadła fibrylarne o rosnącym rozmiarze nanocząstek, co koreluje ze wzrostem stężenia roztworu palladu za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Widma dyfraktometrii rentgenowskiej palladu i wodorku palladu stają się coraz bardziej zawiłe wraz ze wzrostem stężenia syntezy palladu, aż widma nie są już rozróżnialne przy 1 000 milimolach, co koreluje ze wzrostem średnic nanocząstek obserwowanym przez skaningową mikroskopię elektronową.

Analiza widm termograwimetrycznych ujawnia rosnącą zawartość metalu w aerożelach kompozytowych z nanowłókien celulozy i palladu wraz ze wzrostem stężenia roztworu palladu do syntezy. Dane fizsorpcyjne wskazują na izotermę adsorpcji-desorpcji typu IV, co wskazuje na strukturę mezoporowatą i makroporowatą, a analiza wielkości porów Barretta-Joynera-Halendy wskazuje na malejącą częstość występowania mezoporów wraz ze wzrostem zawartości palladu aerożelowego. Widma elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej ilustrują niską rezystancję przenoszenia ładunku i pojemność dwuwarstwową aerożelu kompozytowego z nanowłókien celulozy i palladu.

Ponadto skany woltamperometryczne cykliczne wskazują na adsorpcję i desorpcję wodoru przy potencjałach mniejszych niż zero woltów, a także charakterystyczne piki utleniania i redukcji palladu większe niż 0,5 wolta. Pamiętaj, aby spłukiwać żele stopniowymi stężeniami wody i etanolu, ponieważ pęcznienie osmotyczne spowodowane dużymi różnicami stężeń może spowodować pęknięcie hydrożelu. Włączenie innych materiałów, takich jak grafen i nanorurki węglowe, do kompozytowych bioszablonów może być możliwe w celu uzyskania większej trwałości mechanicznej i przewodności aerożeli.

Zastosowanie hydrożeli kowalencyjnych z nanowłókien celulozy do uzyskania porowatych aerożeli kompozytowych z metali stanowi drogę syntezy innych materiałów z metali szlachetnych i przejściowych w różnych kształtach. Wysokie stężenia wodnego borowodorku sodu powodują wytwarzanie łatwopalnego wodoru gazowego. Ważne jest, aby elektrochemicznie redukować próbki w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, z dala od otwartego ognia.