En rask syntese metode for Au og Pd Pt Aerogels Via direkte Solution-baserte reduksjon
Summary
Rask, direkte solution-baserte reduksjon syntese enmetoden å få Au og Pd Pt aerogels presenteres.
Abstract
Her vises en metode for å syntetisere gull, palladium og platinum aerogels via en rask, direkte solution-baserte reduksjon. Kombinasjonen av ulike forløper noble metall ioner med reduksjonsmidler i en 1:1 (v/v) forholdet fører til dannelsen av metall gels innen sekunder til minutter i forhold til mye lengre syntese tider for andre teknikker som sol-gel. Gjennomføre reduksjon trinnet i et microcentrifuge forenkler rør eller små konisk tube en foreslått nucleation, vekst, densification, fusion, balanse modell for gel formasjon, med siste gel geometri mindre enn første reaksjon. Denne metoden tar nytte av energisk hydrogen gass utviklingen som et biprodukt av reduksjon trinnet, og at reagens konsentrasjoner. Løsemiddel tilgjengelig bestemt arealet avhenger både elektrokjemiske impedans spektroskopi og syklisk voltammetry. Etter skylling og fryser tørking, er den resulterende aerogel strukturen undersøkt med skanning elektronmikroskop X-ray diffractometry og nitrogen gass adsorpsjon. Syntese metoden og identifikasjon teknikker føre en nær korrespondanse aerogel ligament størrelser. Denne syntese metoden for noble metal aerogels viser at høy bestemt areal monolitter kan oppnås med en rask og direkte tilnærming.
Introduction
En rekke energilagring og konvertering, katalyse og sensor programmer nytte tredimensjonale metallisk nanostrukturer som gir deg kontroll over kjemiske reaktivitet og masse transport egenskaper1,2, 3,4,5. Slike 3-dimensjonale metallisk nanostrukturer ytterligere forbedre ledningsevne, ductility, malleability og styrke8,9. Integrering i enheter nødvendiggjør at materialer være frittstående eller kombinert med støttemateriell. Innlemmelse av nanomaterialer på støttestrukturer gir en måte å minimere aktive, men kan lide av svak adsorpsjon og eventuell agglomeration under enhet operasjon10,11.
Det finnes en rekke syntese metoder for å kontrollere individuelle hydrogenion størrelse og form, aktivere noen tilnærminger kontroll over sammenhengende 3-dimensjonale nanomaterialer12,13,14. Noble metal 3-dimensjonale nanostrukturer har blitt dannet gjennom dithiol kombinasjon av monodisperse nanopartikler, sol-gel formasjon, hydrogenion Koalesens, komposittmaterialer, nanosphere kjeder og biotemplating15,16 , 17 , 18. mange av disse metodene krever syntese tider på dager til uker å gi ønsket materiale. Noble metal nanofoams fra direkte reduksjon av forløperen salt løsninger er utarbeidet med en raskere syntese tidsskala og med kort rekkevidde for hundrevis av mikrometer i lengde, men krever mekanisk trykke for enheten integrering 19 , 20.
Først rapportert av Kistler, gir aerogels en syntese rute for å oppnå porøse strukturer med høy bestemt overflate områder som er flere størrelsesordener mindre tett enn sine bulk materiale kolleger21,22,23 . Utvide 3-dimensjonale strukturer makroskopisk lengde omfanget av bulkvarer tilbyr en fordel over hydrogenion tilslag eller nanofoams som krever støttemateriell eller mekaniske. Aerogels gir en syntese rute for å styre porøsitet og funksjonen partikkelstørrelse, men utvidet syntese ganger, og i noen tilfeller bruk capping agenter eller koblingsfunksjonalitet molekyler, øker total behandling tid.
Her er en metode for å syntetisere gull, palladium og platinum aerogels via en rask, direkte solution-baserte reduksjon presentert24. Kombinere ulike forløper noble metall ioner med reduksjonsmidler i en 1:1 (v/v) forholdet resultater i dannelsen av metall gels innen sekunder til minutter i forhold til mye lengre syntese tider for andre teknikker som sol-gel. Bruk av et microcentrifuge rør eller små konisk tube utnytter energisk hydrogen gass utvikling som et biprodukt av reduksjon trinnet tilrettelegge en foreslått nucleation, vekst, densification, fusion, balanse modell for gel-formasjonen. En nær sammenheng i aerogel nanostructure funksjonen størrelser bestemmes skanning elektronmikroskop bildeanalyser, røntgen diffractometry, nitrogen gass adsorpsjon, elektrokjemiske impedans spektroskopi og syklisk voltammetry. Løsemiddel tilgjengelig bestemt arealet avhenger både elektrokjemiske impedans spektroskopi og syklisk voltammetry. Denne syntese metoden for noble metal aerogels viser at høy bestemt areal monolitter kan oppnås med en rask og direkte tilnærming.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden noble metal aerogel syntese presenteres her resultater i rask dannelsen av porøs, høy areal monolitter som sammenlignes med tregere syntese teknikker. 1:1 (v/v) metall ion løsning reduksjonsmiddel løsning forhold er kritisk tilrettelegge foreslåtte gel formasjon modellen. Rask hydrogen gass utviklingen som et biprodukt av elektrokjemiske reduksjon av metall ioner fungerer som en sekundær reduksjonsmiddel og forenkler densification, og blanding av voksende nanopartikler under gel formasjon. Utvalg av optimal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlig Stephen Steiner ved Aerogel teknologier for hans inspirasjon og tekniske innsikt og Dr. Deryn Chu Army Research Laboratory-sensorer og elektron enheter Direktoratet, Dr. Christopher Haines på Armament forskning, Utvikling og Engineering Center, US Army RDECOM-ARDEC og Dr. Stephen Bartolucci på den amerikanske hæren Benet laboratorier for deres hjelp. Dette arbeidet ble støttet av fakultetet utvikling Research Fund stipend fra United States Military Academy, West Point.
Materials
| HAuCl4Ÿ•3H2O | Sigma-Aldrich | 16961-25-4 | |
| Na2PdCl4 | Sigma-Aldrich | 13820-40-1 | |
| K2PtCl6 | Sigma-Aldrich | 16921-30-5 | |
| Pd(NH3)4Cl2 | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
| K2PtCl4 | Sigma-Aldrich | 10025-99-7 | |
| Pt(NH3)4Cl2Ÿ•H2O | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
| dimethylamine borane (DMAB) | Sigma-Aldrich | 74-94-2 | |
| NaBH4 | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | |
| NaH2PO2Ÿ•H2O | Sigma-Aldrich | 10039-56-2 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 792780 | |
| Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 2.0 mL | Cole Parmer | UX-06333-70 | |
| Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 1.7 mL | Cole Parmer | UX-06333-60 | |
| Conical Centrifuge Tubes 15mL | Stellar Scientific | T15-101 | |
| Ag/AgCl Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
| Pt wire electrode | BASi | MF-4130 | |
| Miccrostop Lacquer | Tober Chemical Division | NA | |
| Potentiostat | Biologic-USA | VMP-3 | Electrochemical analysis-EIS, CV |
| Freeze Dryer | Labconco | Freezone 2.5 Liter | Aerogel freeze drying |
| XRD | PanAlytical | Empyrean | X-ray diffractometry |
| Surface and Pore Analyzer | Quantachrome | NOVA 4000e | Nitrogen gas adsorption |
| ImageJ, Image analysis software | National Institute of Health | NA | SEM image analysis |
References
- Rolison, D. Catalytic Nanoarchitectures-the Importance of Nothing and the Unimportance of Periodicity. Science. 299, 1698-1701 (2003).
- Wei, T., Chen, C., Chang, K., Lu, S., Hu, C. Cobalt Oxide Aerogels of Ideal Supercapacitive Properties Prepared with an Epoxide Synthetic Route. Chemistry of Materials. 21, 3228-3233 (2009).
- Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
- Gaponik, N., Herrmann, A., Eychmuller, A. Colloidal Nanocrystal-Based Gels and Aerogels: Material Aspects and Application Perspectives. Journal of Physical Chemistry Letters. 3, 8-17 (2012).
- Olsson, R., et al. Making flexible magnetic aerogels and stiff magnetic nanopaper using cellulose nanofibrils as templates. Nature Nanotechnology. 5, 584-588 (2010).
- Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
- Gaponik, N., Herrmann, A., Eychmuller, A. Colloidal Nanocrystal-Based Gels and Aerogels: Material Aspects and Application Perspectives. Journal of Physical Chemistry Letters. 3, 8-17 (2012).
- Hodge, A., Hayes, J., Cao, J., Biener, J., Hamza, A. Characterization and Mechanical Behavior of Nanoporous Gold. Advanced Engineering Materials. 8, 853-857 (2006).
- Hodge, A., et al. Scaling equation for yield strength of nanoporous open-cell foams. Acta Materialia. 55, 1343-1349 (2007).
- Ambrosi, A., Chua, C., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
- Maillard, F., et al. Influence of particle agglomeration on the catalytic activity of carbon-supported Pt nanoparticles in CO monolayer oxidation. Physical Chemistry Chemical Physics. 7, 385-393 (2005).
- Zhao, P., Li, N., Astruc, D. State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews. 257, 638-665 (2013).
- Wen, D., et al. Controlling the Growth of Palladium Aerogels with High-Performance toward Bioelectrocatalytic Oxidation of Glucose. Journal of American Chemical Society. 136, 2727-2730 (2014).
- Jana, N., Gearheart, L., Murphy, C. Seed-Mediated Growth Approach for Shape-Controlled Synthesis of Spheroidal and Rod-like Gold Nanoparticles Using a Surfactant Template. Advanced Materials. 13, 1389-1392 (2001).
- Ding, Y., Chen, M., Erlebacher, J. Metallic Mesoporous Nanocomposites for Electrocatalysis. Journal of American Chemical Society. 126, 6876-6877 (2004).
- Liu, W., et al. High-Performance Electrocatalysis on Palladium Aerogels. Angewandte Chemie. International Edition. 51, 5743-5747 (2012).
- Herrmann, A., et al. Multimetallic Aerogels by Template-Free Self-Assembly of Au, Ag, Pt, and Pd Nanoparticles. Chemistry of Materials. 26, 1074-1083 (2014).
- Ameen, K., Rajasekharan, T., Rajasekharan, M. Grain size dependence of physico-optical properties of nanometallic silver in silica aerogel matrix. Journal of Non-Crystalline Solids. 352, 737-746 (2006).
- Qin, G., et al. A Facile and Template-Free Method to Prepare Mesoporous Gold Sponge and Its Pore Size Control. Journal of Physical Chemistry C. 112, 10352-10358 (2008).
- Krishna, K., Sandeep, C., Philip, R., Eswaramoorthy, M. Mixing Does the Magic: A Rapid Synthesis of High Surface Area Noble Metal Nanosponges Showing Broadband Nonlinear Optical Response. ACS Nanotechnology. 5, 2681-2688 (2010).
- Kistler, S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 127, 741-741 (1931).
- Du, A., Zhou, B., Zhang, Z., Shen, J. A Special Material or a New State of Matter: A Review and Reconsideration of the Aerogel. Materials. 6, 941-968 (2013).
- Tappan, B., Steiner, S., Luther, E. Nanoporous Metal Foams. Angewandte Chemie. International Edition. 49, 4544-4565 (2010).
- Burpo, F., et al. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research. 32, 4153-4165 (2017).
- Ostwald, W. Blocking of Ostwald ripening allowing long-term stabilization. PhysicalChemistry. 37, 385 (1901).
- Wang, S., Tseng, W. Aggregate structure and crystallite size of platinum nanoparticles synthesized by ethanol reduction. Journal of Nanoparticle Research. 11, 947-953 (2009).
- Schneider, C., Rasband, W., Eliceiri, K. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
- Thommes, M., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 87, 1051-1069 (2015).
- Barrett, E., Joyner, L., Halenda, P. The Determination of Pore Volume and Area Distributions in Porous Substances. I. Computations from Nitrogen Isotherms. Journal of the American Chemical Society. 73, 373-380 (1951).
- Brunauer, B., Emmett, P., Teller, P. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society. 60, 309-319 (1938).
- Herrmann, A., et al. Multimetallic Aerogels by Template-Free Self-Assembly of Au, Ag, Pt, and Pd Nanoparticles. Chemistry of Materials. 26, 1074-1083 (2014).
- Kornyshev, A., Irbakh, M. Double-layer capacitance on a rough metal surface. Physical Review E. 53, 6192-6199 (1996).
- Bisquert, J. Influence of the boundaries in the impedance of porous film electrodes. Physical Chemistry Chemical Physics. 2, 4185-4192 (2000).
- Bisquert, J. Theory of the Impedance of Electron Diffusion and Recombination in a Thin Layer. Journal of Physical Chemistry B. 106, 325-333 (2002).
- Lu, K., Yuan, L., Xin, X., Xu, Y. Hybridization of graphene oxide with commercial graphene for constructing 3D metal-free aerogel with enhanced photocatalysis. Applied Catalysis B. 226, 16-22 (2018).
- Nystron, G., Roder, L., Fernandez-Ronco, M., Mezzenga, R. Amyloid Templated Organic Inorganic Hybrid Aerogels. Advanced Functional Materials. , 1703609-1703620 (2017).
