Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Метод быстрого синтеза для АС, Pd и Pt Аэрогели через прямое сокращение на основе решения

Published: June 18, 2018 doi: 10.3791/57875
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 1, 1
1Department of Chemistry and Life Science, United States Military Academy, West Point, 2Armament Research, Development and Engineering Center, U.S. Army RDECOM-ARDEC, 3Sensors and Electron Devices Directorate, United States Army Research Laboratory

Summary

Представлен метод синтеза быстрый, прямой сокращения на основе решения для получения АС, Pd и Pt Аэрогели.

Abstract

Здесь представлен метод синтезировать золота, палладия и платины Аэрогели через быстрый, прямой сокращения на основе решения. Сочетание различных прекурсоров благородный металл ионов с восстановителями в результатах соотношение 1:1 (v/v) в формировании металла гели в течение нескольких секунд до минут по сравнению с гораздо больше времени синтеза для других методов, таких как золь гель. Проведение этапа сокращения в microcentrifuge трубки или небольшой объем конические трубы облегчает предлагаемого нуклеации, роста, уплотнения, фьюжн, уравновешивания модель для формирования гель, с окончательной гель геометрии меньше, чем объем первоначальная реакция. Этот метод использует эволюции газа энергичные водорода в качестве побочного продукта на шаге сокращения и, как следствие концентрации реагентов. Растворитель доступной удельной площади поверхности определяется с электрохимических импедансной спектроскопии и циклической вольтамперометрии. После промывки и сушки замораживания в результате аэрогель структура рассматривается с сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и адсорбции газа азота. Метод и характеристика методов синтеза привести тесная связь аэрогель связки размеров. Этот метод синтеза для благородного металла Аэрогели демонстрирует что высокой удельной площади поверхности, которую монолиты может быть достигнуто с помощью быстрого и прямого сокращения подхода.

Introduction

Широкий спектр хранения энергии и преобразования, катализ и датчик приложений выгоду от трехмерных металлических наноструктур, которые обеспечивают контроль над химической активности и массового транспорта свойства1,2, 3,4,5. Такие 3-мерной металлических наноструктур далее повысить теплопроводность, пластичность, пластичность и прочность8,9. Интеграция устройств требует материалы свободностоящая или в сочетании с вспомогательные материалы. Включение наноматериалов на структур поддержки предоставляет средства сведения к минимуму активный материал, но может страдать от слабых адсорбции и возможного аггломерации во время устройства операции10,11.

Хотя существует целый ряд методов синтеза для управления отдельными наночастиц размер и форму, несколько подходы позволяют контроль над смежными 3-мерной наноматериалов12,,1314. 3-мерной наноструктур благородного металла были сформированы через dithiol связь монодисперсных наночастиц, формирования золь гель, коалесценцию наночастиц, композитных материалов, наносферы цепи, и biotemplating,1516 , 17 , 18. Многие из этих подходов требуется синтез раз порядка дней до недели, чтобы принести желаемых материалов. Благородный металл nanofoams, синтезированных из прямого сокращения прекурсоров солевых растворов были подготовлены с быстрее шкалы времени синтеза и ближнего порядка сотен микрометров в длину, но требуют механического прессования для интеграции устройств 19 , 20.

Впервые сообщил Kistler, аэрогели обеспечивают синтез маршрут для достижения пористых структур с высокой конкретных областей поверхности, которые порядков менее плотной, чем их массового материала коллегами21,22,23 . Расширение 3-мерной структуры макроскопических длина шкалы сыпучих материалов предлагает преимущество над агрегатов наночастиц или nanofoams, которые требуют поддержки материалов или механической обработки. Хотя Аэрогели обеспечивают синтез маршрут для управления пористости и размер частиц функция, однако, расширенные синтеза раз, а в некоторых случаях использование укупорки агентов или компоновщик молекул, увеличение общих шагов и времени обработки.

Здесь представлен метод синтезировать золота, палладия и платины Аэрогели через быстрый, прямой сокращения на основе решения24. Сочетание различных прекурсоров благородный металл ионов с восстановителями 1:1 (v/v) соотношение результатов в формировании металла гели в течение нескольких секунд до минут по сравнению с гораздо больше времени синтеза для других методов, таких как золь гель. Использование microcentrifuge трубки или небольшой объем конические трубы использует эволюции газа энергичные водорода в качестве побочного продукта на шаге сокращения содействие предлагаемой нуклеации, роста, уплотнения, фьюжн, уравновешивания модель формирования гель. Существует тесная связь в аэрогель наноструктурированных компонент размеров определяется с сканирования анализ изображений электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, адсорбции газа азота, электрохимических импедансной спектроскопии и циклической вольтамперометрии. Растворитель доступной удельной площади поверхности определяется с электрохимических импедансной спектроскопии и циклической вольтамперометрии. Этот метод синтеза для благородного металла Аэрогели демонстрирует что высокой удельной площади поверхности, которую монолиты может быть достигнуто с помощью быстрого и прямого сокращения подхода.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ВНИМАНИЕ: Консультации все соответствующие листы данным по безопасности (ПБ) перед использованием. Используйте практики безопасности при выполнении химических реакций, чтобы включить использование вытяжного шкафа и индивидуального защитного снаряжения. Быстрое водорода газов эволюция может вызвать высокого давления в реакции трубы, вызывая шапки поп и решения для распыления из. Убедитесь, что реакция труба шапки остаются открытыми, как указано в протоколе.

1. металлические гель подготовка

  1. Подготовка решений ион металла.
    1. Готовить 2 мл 0,1 М растворы следующих солей: HAuCl4•3H2O и Na2PdCl4 в деионизированной воде. Готовить 2 мл 0,1 М K2PtCl6 в 1:1 (v/v) воды и этанола растворителя. Энергично встряхнуть и вихревой решения для оказания помощи в растворения солей.
  2. Подготовка решений восстанавливающего агента.
    1. Подготовка 10 мл 0,1 М решения следующих восстановителями: Диметиламина Бороводороды (DMAB) и NaBH4 (натрия боргидрид).
  3. Подготовка Au гели.
    1. Пипетка 0,5 мл 0,1 М HAuCl4•3H2O раствора в 1,7 мл или 2.0 мл пробки microcentrifuge. Насильственно Пипетка 0,5 мл DMAB трубу microcentrifuge с золотой решения для обеспечения быстрого смесь соли и восстанавливающего агента решений. После решения являются смешанными, открыть место пробки microcentrifuge вертикально в стойку трубки с крышку трубки.
      Примечание: Если оставить крышку трубки закрыты, водород газа эволюция вызовет давление внутри заставляют поп открыть крышку и потенциально спрей смесь сокращения.
  4. Подготовка Pd гели.
    1. Пипетка 0,5 мл 0,1 М Na2PdCl4 раствора в 1,7 мл или 2.0 мл пробки microcentrifuge. Насильственно Пипетка 0,5 мл NaBH4 трубу microcentrifuge раствором палладия. Откройте место пробки microcentrifuge вертикально в стойку трубки с крышку трубки.
  5. Подготовка Pt гели.
    1. Пипетка 0,5 мл 0,1 М K2PtCl6 решение в 1,7 мл или 2.0 мл пробки microcentrifuge. Насильственно Пипетка 0,5 мл DMAB трубу microcentrifuge с раствор платины. Откройте место пробки microcentrifuge вертикально в стойку трубки с крышку трубки.
  6. Трубка инверсии.
    1. В приблизительно 5 мин, крышка microcentrifuge трубы и осторожно перевернуть 3 - 5 раз для помощи в коалесценции металлических частиц не частью металла геля. Убедитесь, что труба шапки, немедленно контаминированных после инвертирования трубы и заменить трубы в стойку для поддержания вертикальной ориентации трубки.
  7. Уравновешивания.
    1. Хотя первоначально АС, Pd и Pt гели формируют в течение нескольких минут, оставьте зарождающейся гели в раствор восстанавливающего агента для 3-6 ч полное сокращение ионов металлов и для минимизации поверхности свободной энергии происходят.
      Примечание: Металлические гели занимают меньший объем, чем начальный объем раствора смешанного металлических ионов и восстанавливающего агента. Некоторые дополнительные небольшой объем сокращения могут наблюдаться во время уравновешивания и более произносится на золото гели и считается благодаря Ostwald созревания25.
  8. Гель для ополаскивания.
    1. Для АС, Pd и Pt Гели после периода уравновешивания удалите избыток восстанавливающего агента решение, но оставить достаточный объем раствора, так что металла гель остается под флюсом. Убедитесь, что решение мениска не соприкасаться с металлической гель.
      Примечание: Хотя металла гели являются достаточно стабильны для передачи между решениями с помощью шпателя, капиллярных сил должен связаться с решение мениска деформируется и сжимать гели, что приводит к увеличению плотности окончательный аэрогель. Это требует, что некоторые восстанавливающего агента решение остается в трубку с гелем, погруженной при передаче деионизированной водой.
    2. Медленно Пипетка обессоленной воды в верхней части трубки microcentrifuge реакции. Погружать microcentrifuge трубку в 50 мл Конические трубки полностью деионизированной воды и позволяют гель выскользнуть из пробки microcentrifuge.
    3. Оставьте геля в деионизированной воде 24 часа и заменить воду в 12 ч. Сделать чтобы не допустить жидкого мениска контакта гель.

2. Электрохимическое площадь поверхности (ECSA) Характеристика мокрой металла гели

Примечание: Электрохимические характеристики выполняется на мокрой металла гели до проведения замораживания сушки. Полученный ECSA затем является приблизительным поверхности структуры окончательного аэрогель. Для оценки площади поверхности сушеные Аэрогели используются измерения адсорбции азота.

  1. Растворитель обмен.
    1. Удалить столько деионизованной воды из АС, Pd и Pt полоскания решения как можно скорее и обеспечить, что жидкость мениска не вступают в контакт с геля.
    2. Добавьте 50 мл, 0,5 М несогретом для конической трубки для обмена обессоленной воды с поддержкой электролита в поры геля. Оставьте гели в еще несогретом растворе КCl за 24 ч.
  2. Подготовка рабочих электродом.
    1. Промазывают неактивные лака с помощью тонкой щетиной или другие приложения устройства, оставив длиной 4-5 мм кончик проволоки подвергаются 1 мм платиновой проволоки электрода.
    2. Подождите 20 минут лака высохнуть.
    3. Применять по меньшей мере два слоя лака.
  3. 3-электродный клеток set-up.
    1. Используйте настройки ячейка 3-электрод с Ag/AgCl (3 M насыщенных) ссылки электрода, 0,5 мм диаметр Pt проволока автономныи/счетчик электрода и лак с покрытием рабочих электродом.
    2. Пополам пластиковые 50 мл Конические трубки и использовать как электрохимических флакона.
    3. Гель с рабочих электродом, свяжитесь с одним из двух методов: 1) приколот гель, или режим 2) контакта.
      1. Рабочая электрод - приколот гель.
        1. С гелем в нижней части модифицированных 50 мл Конические трубки аккуратно вставьте электрод с покрытием лаком в гель.
          Примечание: Метод приколот гель доказывает более эффективным с Au гели, тогда как Pd и Pt гели перелом чаще после вставки электрода.
      2. Рабочих электродом - Kонтактный режим.
        1. Вставьте лак покрытием рабочих электродом в коническую пробирку вдоль внутренней поверхности и остальные металлические гель на вершине подвергаются Pt провод рабочих электродом.
  4. Электрохимических импедансной спектроскопии (EIS).
    1. Выполните potentiostatic, которую EIS сканирует с частотой 100 МГц и 1 МГц, с использованием 10 мВ амплитуда синусоиды. В случае текущих перетоков используйте гальваностатического ЭИС с тот же диапазон частот и 100 – 200 мА амплитуда синусоиды.
  5. Определение электрохимических площади поверхности (ECSA) от данных EIS.
    1. Для Z», мнимая часть импеданса, на низких EIS частота f 1 МГц, и деления массы образца, м, используйте следующее уравнение для определения конкретных емкость, Csp:
      C SP = 1 / (2πФЗ «м) (1)
      Примечание: учитывая, что ECSA определяется из предварительного мокрой гель для сублимационной сушки на шаге 3 ниже, определите массу, предполагая, что все ионов металлов в растворе сводятся к форме геля. Основываясь на этом предположении, любой фактический доход меньше, чем 100% приведет к недооценке Csp.
  6. Циклической вольтамперометрии (CV).
    1. Используйте курсы сканирования 100, 75, 50, 25, 10, 5 и 1 МВ/s для CV измерений. Используйте диапазоны напряжения 0,2 0,2 V (против Ag/AgCl) для Au гели и выберите 0.1 до 0.4 V для Pd и Pt гели избежать водорода адсорбции и десорбции и окислительно-восстановительные металлов.
  7. Определение электрохимических площади поверхности (ECSA) от данных CV.
    1. Используйте наименьшую скорость сканирования резюме 1 МВ/s и рассчитать конкретные емкость с уравнением:
      C SP = (∫ivdv) / (2μmΔV) (2)
      Примечание: Здесь я и v являются текущие и потенциал в CV сканирования (A и V), скорость сканирования- μ (V/s), масса гель- м (g), и ΔV окно потенциальных разряда (против Ag/AgCl).

3. аэрогель подготовка и квалификация.

  1. Удаление обессоленной воды для АС, Pd и Pt гели в шаг 1,8 и убедитесь, что вода мениска не вступают в контакт с металлическими гели.
  2. Место гели в морозильной камере-80 ° C не менее 30 мин перевод замороженных металла гели для замораживания сушки с уставка давления 4 Па или ниже.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Добавлением металлических ионов и восстанавливающего агента решения вместе результаты в растворах сразу переходя темный черный цвет с энергичной газ эволюции. Наблюдение за ходом реакции предлагает механизм формирования предлагаемого гель, показанный на рисунке 1. Гель для формирования доходов через пять шагов 1) наночастиц нуклеации, 2) рост, 3) уплотнения, 4) фьюжн и 5) уравновешивания. Первые четыре шага наблюдаются во время первых нескольких минут реакции, с уравновешивания Пятый шаг разбирательства в течение 3-6 ч, в то время как гель остается в растворе восстанавливающего агента и продолжается в течение промойте деионизованной воды. Рисунок 2 показывает представитель АС, Pd и Pt аэрогели, плавающей на поверхности воды, указывающий характерным аэрогель гидрофобность. PD и Pt гели оставался черный цвет от первоначального сочетание иона металла и восстанавливающего агента решений, тогда как золото Гели от черного на первоначальное сокращение достигло представляя красно золотой оттенок на этапе уравновешивания.

Рисунок 3 фотографии изображают влажные металлические Гели после сокращения раствором восстанавливающего агента замены деионизированной водой. Диапазон концентраций ион металла решение менее чем 0,1 М, представленные в шаге 1 раздела протокола были сокращены с же концентрации восстановителя 0,1 М. Для комбинаций HAuCl4•3H2O с DMAB, Na24 PdCl с NaBH4и2K6 PtCl (в 50% этиловом спирте) с DMAB и иона металла концентрации 5, 10, 25, 50 и 100 мм размер геля был найден в уменьшение с уменьшением концентрации ионов металла. Метод синтеза, представленные здесь обеспечивает значительное преимущество быстрого сроков для достижения аэрогель монолитов. Однако размер окончательного геля для металла концентрации 0,1 М считается примерно ¼ на ⅓ синтеза объема раствора. Механизм формирования гель способствует быстрое водорода газ эволюция результатов в формировании быстро гель, но в конечном итоге результаты в отсутствие формы управления для данного метода.

Чтобы проверить диапазон возможных гель формирования результатов, различные комбинации ионов благородных металлов с тремя восстановителями были протестированы с использованием метода представлена в протокол шаг 1. Три восстановителями используется были DMAB, NaBH4и гипофосфита натрия (NaH2Ро2). Все восстановителями были использованы в концентрации 0,1 М. HAuCl43 H2O, Na2PdCl4, Pd (NH3)4Cl2, PtCl4K2, Pt (NH3)4Cl2и Na2PtCl6используются соли металла. Na2PtCl6 был подготовлен деионизированной водой и отдельно с 1:1 деионизированной воды растворителем этанола. Ион металла концентрации были разнообразны по целому ряду 100, 50, 25, 10, 5, 1, 0.5 и 0,1 мм. Таблица 1 показывает минимальный ион металла концентрации, в котором гель формирования был замечен происходят. Ионы металла и комбинации восстанавливающего агента, представленные в протокол шаг 1 привели к наиболее воспроизводимость и стабильной гели. В то время как Au гели сформирован с использованием NaBH4, гель фигуры были более разнообразны и представил грубее макроскопических текстуры поверхности. PD гели с Na2PdCl4 и Pd (NH3)4Cl2 дали аналогичные результаты. Стабильная Pt гели были трудно достичь с помощью Pt (NH3)4Cl2 и K2PtCl4 вероятно ввиду термодинамической стабильности квадратных плоских ионов платины. Крупных геля агрегатов формируется с Na2PtCl6 подготовлен в деионизованной воды растворителя, тогда как использование Na2PtCl6 подготовлен 1:1, деионизированной воды растворителем этанола более последовательно привели к монолитной гели. Добавление этанола как растворитель была основана на докладах Pt наночастиц нестабильности в этанол к агрегации частиц привода и фьюжн. В общем гель форме стал более переменных для уменьшения прекурсоров концентрация соли для АС, Pd и Pt.

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) анализ гели показывает иерархическую пористую структуру для АС, Pd и Pt аэрогели, как показано на рисунке 4. Диапазон размеров пор и связки были определены от анализа изображений SEM с 200-300 измерений для каждого значения. Аэрогели Au представляют большой macropores с диапазоном 50-600 Нм, и гладкой связок с кругом диаметром 18-280 Нм с в среднем 63.7 Нм ± 36.0. PD и Pt Аэрогели отличаются по своей структуре от Au аэрогели, в том, что они представляют «бусы на строку» структура с предохранителями наночастиц. PD macropores варьировались от 50-340 Нм, с диаметрами связки, начиная с 12-65 нм, с в среднем по 34,5 ± 9.5 Нм. PT macropores диапазоне от 50-470 Нм, с диаметрами связки, начиная от 13-60 Нм, с в среднем 29,7 ± 9.0 Нм24. Более широкий диапазон в структуре макропоры Pt приписывается Pt наночастиц стабильности и необходимости для этанола диск коалесценции и последующего удобства больших водорода газовый пузырь эволюции во время процесса формирования геля. Спектры рентгеновской дифракции (XRD) от 20-70 ° в рисунке 5 указывают характерные пики для АС, Pd и Pt Аэрогели с не обнаружено оксидов.

Изотермы physisorption газ азот показаны для АС, Pd и Pt Аэрогели в рисунке 6a, 6 cи 6eи указывают тип IV изотерма характерные мезопористых материалов с порами, преимущественно от 2 до 50 Нм28 . Показать совокупные порового объема (см3/g) и поры размер распределения (dV/dd) на Au, Pd, и Pt Аэрогели с поры размеров в 2 – Рисунок 6b, 6 dи 6f была использована модель Барретт-Джойнер-Halenda (BJH) для десорбции кривых 50 Нм мезопористых диапазоне29 . Для определения конкретных областей поверхности, Аэрогель, многоточечный Brunauer-Эмметт-кассир (BET) модель использовалась для анализа изотермы адсорбции на рисунке 6. 30 для АС, Pd и Pt Аэрогели это привело к ценности 3,06, 15,43 и 20.56 м2/г соответственно. Аэрогели благородный металл, синтезированных из соль гели преформированных наночастиц добились аналогичных конкретных областях поверхности31. Диаметры идеализированной связки, основанные на конкретных областях поверхности являются 85.4, 33,1 и 13.6 Нм для АС, Pd и Pt Аэрогели и вообще коррелируют функция размеров с SEM анализа изображений.

Электрохимический импеданс спектры для АС, Pd и Pt гели показаны на рис. 7a. Конкретные емкость строится как в зависимости от частоты ЭИС в Рисунок 7b с оценками 2.18. 4.13 и 4.20 F/g для АС, Pd и Pt гели. Основываясь на номинальном 30 МКФ/см2 для металлических поверхностей, Au, Pd и Pt конкретных областях поверхности являются 7.27, 13,77 и 14.00 м2/г32. EIS спектров были подходят с моделью линии передачи (TLM) на основе модифицированных Рэндл эквивалентная схема модели показано на рисунке 7 c. В этой модели, резисторы (R), конденсаторы (C) или постоянной фазы (CPE) и ограниченного распространения элементов (Zdiff) соединены параллельно и серии. R1 представляет электролит сопротивление и сопротивление контакта с рабочих электродом на высокой частоте. Двойной слой емкость, заряда передачи, стойкость материала, и ограниченные Ион диффузии через сеть иерархически распределенное поры представлена параллельного расположения CPE или C элементов с последовательно подключенных R и Zdiff 33,34. TLM модель эффективно моделировать EIS спектры для АС, Pd и Pt гели.

Циклической вольтамперометрии сканирует показаны на рис. 8А-8 c для АС, Pd и Pt гели соответственно. Используя скорость сканирования 1 МВ/с CV, конкретные емкостей для АС, Pd и Pt гели были рассчитаны 2,67, 7,99 и 5.12 F/g, и использование номинальная стоимость 30 МКФ/см2, те же EIS емкостей, дает конкретные площади поверхности 8,90 , 26.63 и 17.07 m2/g.

Восстановитель
Соль DMAB NaBH4 NaHPO2
100 мм 100 мм 100 мм
[AuCl4] - 10 мм 5 мм Нет геля
[4Pd (NH3)] 2 + 25 мм 5 мм Нет геля
[4PdCl] 2- 25 мм 5 мм 50 мм
[4Pt (NH3)] 2 + Нет геля 100 мм Нет геля
[PtCl4] 2- Нет геля 100 мм Нет геля
[6PtCl] 2- 25 мм Нет геля Нет геля
[6PtCl] 2- 10 мм Нет геля Нет геля
50% EtOH

Таблица 1. Концентрация пороговые значения для формирования гель для различных комбинаций соли типа и восстановителей. Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения.

Figure 1
Рис. 1. Предлагаемый механизм формирования гель благородного металла. Синтез доходов через (а) первоначальную нуклеации наночастиц, (b) быстрого роста наночастиц, (c) уплотнения наночастиц из-за водородом газа эволюции, (d) синтеза наночастиц и наконец (e) поверхности минимизации свободной энергии и уравновешивания результате геля. Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. () золото, палладий (b) и (c) платины аэрогели, плавающего на воде. Изменение от ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рис. 3. Благородный металл гель синтез различных концентраций соли справа налево и 100, 50, 25, 10, 5 мм. (a) [AuCl4]– , сокращено с 100 мм DMAB. (b) [PdCl4]2 - сокращено с 100 мм NaBH4. (c) [PtCl6]2 - подготовленный в 50% этанола, сокращено с 100 мм DMAB. Изменение от ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4. Сканирование электронной микроскопии (промыслов, золота (c)-(d) палладий, и (e)-(f) платины Аэрогели. Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5. Дифракционные спектры для платины (вверху), палладий (в середине) и Аэрогели золота (внизу). Изменение от ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6. Изотермы адсорбции десорбции азота и распределением пор по размерам с объемом совокупного поры (промыслов золота (c)-(d) палладий и (e)-(f) платины Аэрогели. Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7. (a) электрохимический импеданс спектры для золота, палладия, платины гели выступал в 0,5 М KCl против Ag/AgCl электрод сравнения. () (спектры EIS низкой частоты Вставка) с (). (b) специальные емкости (Csp) для гелей рассчитывается от низкой частоты EIS спектры в (a). (b) (вставка) низкой частоты Csp значения. (c) RLC установлены модели линии передачи (TLM) для EIS спектров. Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 8
Рисунок 8. Циклической вольтамперометрии скоростью сканирования 50, 25, 10, 5 и 1 МВ/s для () золото, палладий (b) и (c) платины гели. Напряжения windows являются (a)-0.2 V 0,2 V и (b)-(c) 0,1 V до 0.4 V (против Ag/AgCl). Воспроизводится из ссылки 24 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Метод синтеза аэрогель благородного металла здесь представлены результаты в быстрое формирование пористой, высокая площадь поверхности монолита, которые сопоставимы с медленнее методов синтеза. Решение 1:1 (v/v) ион металла соотношение раствор восстанавливающего агента имеет решающее значение в содействии модели формирования предлагаемого гель. Эволюция газа быстрого водорода в качестве побочного продукта электрохимических сокращение ионов металлов служит вторичного восстанавливающего агента и облегчает уплотнения и фьюжн роста наночастиц при формировании геля. Выбор оптимальных комбинаций типов ион металла и восстановителями также имеет важное значение, учитывая, что многие синтеза комбинации, показанные в таблице 1 не привести к образованию геля.

Решающее значение для сохранения структуры геля после химического восстановления является обеспечение что гель контакт с поверхностью жидкости воздух решение сводится к минимуму для того, чтобы предотвратить уплотнение гель из-за поверхностного натяжения и капиллярных сил от воды. Расширенный сокращения и промыть раз помимо тех, которые указаны в протоколе может привести к дальнейшей уплотнения металла гели благодаря минимизации продолжение поверхности свободной энергии.

Основное преимущество метода синтеза представлена является быстрое формирование Аэрогели благородного металла с особенностью размеры соизмеримы с медленнее методов синтеза. Размеры гель функции достигаются без использования предварительно наночастиц или укупорки агентов во время синтеза. Далее экспериментально соотношение поры и связки размеров и площади поверхности SEM, XRD, адсорбции газа азота, ЗВОС, и резюме измерений свидетельствует о том, значимого и воспроизводимых значений.

Протокол может изменяться для масштабирования для формирования более крупных Аэрогели использование конических труб 15 мл с объемом 3 мл суммарная реакция. Однако произвести повышение изменчивости формы окончательного аэрогель наблюдаются повышенная реакция томов. Это увеличение изменчивости предполагает, что пропорции реакции судна относительно реакции объем является метод рассмотрения важных синтеза. В то время как основное преимущество метода формирования быстрого гель, отсутствие управления shape отражает наиболее существенный недостаток для обеих малых и больших масштабах реакций. Будущая работа включает в себя использование biotemplating и углеродных композитов как возможные подходы для более эффективного достижения формы управления35,36. Как рационально разработан леску для металлических сокращения biotemplated и композиционных материалов могут предоставлять дальнейшего контроля над связки длина, диаметр и аэрогель форма. Метод прямой и быстрый синтез, представленные здесь предлагает продвижение в снижении синтеза шаги и время для достижения высокой поверхности конкретных и предлагает материальный подход для энергии, катализ и датчик приложений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы благодарны Стивен Steiner в аэрогель технологии для его вдохновения и технические идеи и д-р Deryn Чу в армии исследований лаборатории-Датчики и электронного устройства дирекции, д-р Кристофер Haines на вооружение исследований, Развития и инженерный центр, США армии RDECOM-ARDEC и д-р Стивен Бартолуччи в лабораториях Бенет армии США за их помощь. Эта работа была поддержана Грант Фонда развития исследований факультета из Соединенных Штатов военной академии, Вест-Пойнт.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rolison, D. Catalytic Nanoarchitectures-the Importance of Nothing and the Unimportance of Periodicity. Science. 299, 1698-1701 (2003).
  2. 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).
  3. Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
  4. 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).
  5. Olsson, R., et al. Making flexible magnetic aerogels and stiff magnetic nanopaper using cellulose nanofibrils as templates. Nature Nanotechnology. 5, 584-588 (2010).
  6. Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
  7. 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).
  8. Hodge, A., Hayes, J., Cao, J., Biener, J., Hamza, A. Characterization and Mechanical Behavior of Nanoporous Gold. Advanced Engineering Materials. 8, 853-857 (2006).
  9. Hodge, A., et al. Scaling equation for yield strength of nanoporous open-cell foams. Acta Materialia. 55, 1343-1349 (2007).
  10. Ambrosi, A., Chua, C., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
  11. 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).
  12. Zhao, P., Li, N., Astruc, D. State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews. 257, 638-665 (2013).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Ding, Y., Chen, M., Erlebacher, J. Metallic Mesoporous Nanocomposites for Electrocatalysis. Journal of American Chemical Society. 126, 6876-6877 (2004).
  16. Liu, W., et al. High-Performance Electrocatalysis on Palladium Aerogels. Angewandte Chemie. International Edition. 51, 5743-5747 (2012).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Kistler, S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 127, 741-741 (1931).
  22. 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).
  23. Tappan, B., Steiner, S., Luther, E. Nanoporous Metal Foams. Angewandte Chemie. International Edition. 49, 4544-4565 (2010).
  24. Burpo, F., et al. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research. 32, 4153-4165 (2017).
  25. Ostwald, W. Blocking of Ostwald ripening allowing long-term stabilization. PhysicalChemistry. 37, 385 (1901).
  26. Wang, S., Tseng, W. Aggregate structure and crystallite size of platinum nanoparticles synthesized by ethanol reduction. Journal of Nanoparticle Research. 11, 947-953 (2009).
  27. Schneider, C., Rasband, W., Eliceiri, K. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Brunauer, B., Emmett, P., Teller, P. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society. 60, 309-319 (1938).
  31. 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).
  32. Kornyshev, A., Irbakh, M. Double-layer capacitance on a rough metal surface. Physical Review E. 53, 6192-6199 (1996).
  33. Bisquert, J. Influence of the boundaries in the impedance of porous film electrodes. Physical Chemistry Chemical Physics. 2, 4185-4192 (2000).
  34. Bisquert, J. Theory of the Impedance of Electron Diffusion and Recombination in a Thin Layer. Journal of Physical Chemistry B. 106, 325-333 (2002).
  35. 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).
  36. Nystron, G., Roder, L., Fernandez-Ronco, M., Mezzenga, R. Amyloid Templated Organic Inorganic Hybrid Aerogels. Advanced Functional Materials. , 1703609-1703620 (2017).

Tags

Химия выпуск 136 Аэрогель пористая золото палладий platinum катализ
Метод быстрого синтеза для АС, Pd и Pt Аэрогели через прямое сокращение на основе решения
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Burpo, F. J., Nagelli, E. A.,… More

Burpo, F. J., Nagelli, E. A., Morris, L. A., McClure, J. P., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction. J. Vis. Exp. (136), e57875, doi:10.3791/57875 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter