En syntesmetod för cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras. Den resulterande komposit Aerogel material erbjuder potential för katalys, avkänning, och vätegas lagringstillämpningar.
Här, en metod för att syntetisera cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras. Ädel metall Aerogel syntesmetoder resulterar ofta i bräckliga Aerogel med dålig form kontroll. Användningen av karboxymetylerade cellulosa nanofibrer (CNFs) för att bilda en kovalent bunden hydrogel möjliggör reduktion av metalljoner såsom Palladium på CNFs med kontroll över både nanostruktur och makroskopisk Aerogel monolit form efter superkritisk Torkning. Tvärbindning av karboxymetylerad cellulosa nanofibrer uppnås med hjälp av 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) karbodiimidgrupp hydroklorid (EDC) i närvaro av etylendiamin. CNF hydrogeler behåller sin form genom syntes steg inklusive kovalenta crosslinking, jämvikt med föregångare joner, metall reduktion med hög koncentration reducerande medel, sköljning i vatten, utbyte av etanol vätska, och co2 superkritisk torkning. Varierande föregångaren Palladium Jon koncentrationen möjliggör kontroll över metallinnehållet i den slutliga Aerogel komposit genom en direkt Jon kemisk reduktion i stället för att förlita sig på den relativt långsamma samalescens av förformade nanopartiklar som används i andra Sol-gel tekniker. Med diffusion som grund för att introducera och avlägsna kemiska arter till och från Hydrogelen är denna metod lämplig för mindre bulkgeometrier och tunna filmer. Karakterisering av cellulosa Nanofiber-Palladium komposit Aerogel med scanning elektronmikroskopi, röntgen diffraktometri, termisk gravimetrisk analys, kvävgasadsorption, elektrokemisk impedansspektroskopi, och cyklisk voltametri indikerar en hög ytarea, metalliserad Palladium porös struktur.
Aerogels, först rapporteras av Kistler, erbjuder porösa strukturer order av magnitud mindre tät än deras bulk material motsvarigheter1,2,3. Noble metal Aerogel har lockat vetenskapligt intresse för sin potential inom kraft-och energi, katalysatorer och sensor applikationer. Ädel metall Aerogel har nyligen syntetiserats via två grundläggande strategier. En strategi är att framkalla återförening av pre-bildade nanopartiklar4,5,6,7. Sol-gel återförening av nanopartiklar kan drivas av Linker molekyler, förändringar i lösningen jonisk styrka, eller enkel nanopartikel yta fri energiminimering7,8,9. Den andra strategin är att bilda Aerogel i ett enda reduktions steg från metallprekursorer9,10,11,12,13. Detta tillvägagångssätt har också använts för att bilda bimetalliska och legering ädel metall Aerogels. Den första strategin är i allmänhet långsam och kan kräva upp till många veckor för nanopartiklar återförening14. Den direkta minskningen tillvägagångssätt, medan generellt snabbare, lider av dålig form kontroll över makroskopiska Aerogel Monolith.
En möjlig syntes strategi för att hantera utmaningar med kontroll av ädel metall Aerogel makroskopisk form och nanostruktur är att anställa biotemplating15. Biotemplating använder biologiska molekyler som sträcker sig från kollagen, gelatin, DNA, virus, till cellulosa för att ge en form-styra mall för syntes av nanostrukturer, där de resulterande metallbaserade nanostrukturer antar geometrin hos biologisk mallmolekyl16,17. Cellulosa nanofibrer är tilltalande som en biotemplate med tanke på den höga naturliga överflöd av cellulosahaltiga material, deras höga proportioner linjär geometri, och förmåga att kemiskt funktionalisera deras glukos monomerer18,19, 20,21,22,23. Cellulosa nanofibrer (CNF) har använts för att syntetisera tredimensionell TiO2 nanotrådar för photoanodes24, silvernanotrådar för transparent pappers elektronik25, och Palladium Aerogel kompositer för katalys26 . Vidare har tempo-oxiderad cellulosa nanofibrer använts både som en biotemplate och reducerande medel i beredningen av Palladium dekorerade CNF Aerogel27.
Här, en metod för att syntetisera cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras26. Bräckliga Aerogel med dålig form kontroll sker för en rad ädel metall Aerogel syntesmetoder. Karboxymetylerad cellulosa nanofibrer (CNFs) används för att bilda en kovalent hydrogel möjliggör minskning av metalljoner såsom Palladium på CNFs ger kontroll över både nanostruktur och makroskopiska Aerogel Monolith form efter superkritisk torkning. Karboxymetylerad cellulosa från crosslinking uppnås med 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) karbodiimidgrupp hydroklorid (EDC) i närvaro av etylendiamin som en Linker molekyl mellan CNFs. Den CNF hydrogeler behålla sin form under hela syntes steg inklusive kovalenta crosslinking, jämvikt med föregångare joner, metall reduktion med hög koncentration reducerande medel, sköljning i vatten, utbyte av etanol vätska, och co2 superkritisk torkning. Variation i koncentrationen av jonkoncentrationer möjliggör kontroll av den slutliga Aerogel-metallhalten genom en direkt Jon reduktion i stället för att förlita sig på den relativt långsamma koalescens av redan bildade nanopartiklar som används i sol-gel-metoder. Med diffusion som grund för att introducera och avlägsna kemiska arter till och från Hydrogelen är denna metod lämplig för mindre bulkgeometrier och tunna filmer. Karakterisering av cellulosa Nanofiber-Palladium komposit Aerogel med scanning elektronmikroskopi, röntgen diffraktometri, termisk gravimetrisk analys, kvävgasadsorption, elektrokemisk impedansspektroskopi, och cyklisk voltametri indikerar en hög ytarea, metaliserad palladiumporös struktur.
Den ädla metall cellulosa från biotemplated Aerogel syntesmetod som presenteras här resulterar i stabila Aerogel kompositer med avstämbara metall sammansättning. Den kovalenta crosslinking av den kompakte cellulosa nanofibrer efter centrifugering resulterar i hydrogeler som är mekaniskt hållbara under de efterföljande syntes steg av Palladium jonjämning, elektrokemisk reduktion, sköljning, lösningsmedel och superkritisk torkning. Hydrogel stabiliteten är avgörande under det elektrokemiska reduktions steget g…
The authors have nothing to disclose.
Författarna är tacksamma för Dr Stephen Bartolucci och Dr Joshua Maurer vid US Army benet laboratorier för användning av deras Scanningelektronmikroskop. Detta arbete stöddes av en fakultetsutveckling forskningsfond bidrag från Förenta staternas militär akademi, West Point.
0.5 mm platinum wire electrode | BASi | MW-4130 | Used for auxillery electrode and separately for lacquer coating and use as a working electrode |
1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma-Aldrich | 1892-57-5 | |
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Sigma-Aldrich | 117961-21-4 | |
Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
Carboxymethyl cellulose, TEMPO Cellulose Nanofibrils, Dry Powder | University of Maine Process Development Center | No 8 | |
Ethanol, 200 proof | PHARMCO-AAPER | 241000200 | |
Ethylenediamine | Sigma-Aldrich | 107-15-3 | |
Fourier-Transform Infrared (FTIR) Spectrometer, Frontier | Perkin Elmer | L1280044 | |
Hydrochloric Acid | CORCO | 7647-01-0 | |
Na2PdCl4 | Sigma-Aldrich | 13820-40-1 | |
NaBH4 | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | |
Pd(NH3)4Cl2 | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
Potentiostat | Biologic-USA | VMP-3 | Electrochemical analysis-EIS, CV |
Scanning Electron Mciroscope (SEM) Helios 600 Nanolab | ThermoFisher Scientific | ||
Supercritical Dryer | Leica | EM CPD300 | Aerogel supercritical drying with CO2 |
Surface and Pore Analyzer | Quantachrome | NOVA 4000e | Nitrogen gas adsorption |
Thermal Gravimetric Analysis | TA instruments | TGA Q500 | |
Ultrasonic Cleaner | MTI | EQ-VGT-1860QTD | |
XRD | PanAlytical | Empyrean | X-ray diffractometry |