En syntesemetode for å oppnå porøse platinabaserte makrorør og makrostråler med et firkantet tverrsnitt gjennom kjemisk reduksjon av uoppløselige saltnålmaler presenteres.
Syntesen av høyt overflateareal porøse edle metall nanomaterialer er generelt avhengig av tidkrevende koalescence av pre-formede nanopartikler, etterfulgt av skylling og superkritiske tørketrinn, ofte resulterer i mekanisk skjøre materialer. Her presenteres en metode for å syntetisere nanostrukturerte porøse platinabaserte makrorør og makrostråler med et firkantet tverrsnitt fra uoppløselige saltnålmaler. Kombinasjonen av motsatt ladet platina, palladium og kobber firkantede planarioner resulterer i rask dannelse av uoppløselige saltnåler. Avhengig av det stoichiometriske forholdet mellom metallioner som finnes i saltmalen og valg av kjemisk reduksjonsmiddel, dannes enten makrorør eller makrostråler med en porøs nanostruktur bestående av enten smeltede nanopartikler eller nanofibriller. Elementær sammensetning av makrorør og makrostråler, bestemt med røntgendiffraktometry og røntgenfotoelektronspektroskopi, styres av det stoichiometriske forholdet mellom metallioner som finnes i saltmalen. Makrorør og makrostråler kan presses inn i frittstående filmer, og det elektrokjemisk aktive overflateområdet bestemmes med elektrokjemisk impedansspektroskopi og syklisk voltammetri. Denne syntesemetoden demonstrerer en enkel, relativt rask tilnærming for å oppnå platinabaserte makrorør og makrorør med justerbar nanostruktur og elementær sammensetning som kan presses inn i frittstående filmer uten nødvendige bindingsmaterialer.
Tallrike syntesemetoder er utviklet for å oppnå høyt overflateareal, porøse platinabaserte materialer primært for katalyseapplikasjoner, inkludert brenselceller1. En strategi for å oppnå slike materialer er å syntetisere monodisperse nanopartikler i form av kuler, kuber, ledninger og rør2,3,4,5. For å integrere de diskrete nanopartiklene i en porøs struktur for en funksjonell enhet, kreves polymere bindemidler og karbontilsetningsstofferofte 6,7. Denne strategien krever ekstra behandlingstrinn, tid og kan føre til en reduksjon i massespesifikk ytelse, samt agglomerering av nanopartikler under utvidet enhetsbruk8. En annen strategi er å drive koalescence av syntetiserte nanopartikler inn i en metallgel med påfølgende superkritisk tørking9,10,11. Mens fremskritt i sol-gel syntese tilnærming for edle metaller har redusert gelation tid fra uker til så fort som timer eller minutter, de resulterende monolitter tendens til å være mekanisk skjøre hindre deres praktiske bruk ienheter 12.
Platinalegering og multi-metalliske 3-dimensjonale porøse nanostrukturer gir tunalytisk spesifisitet, samt adresserer den høye kostnaden og relativ knapphet på platina13,14. Mens det har vært mange rapporter om platina-palladium15,16 og platina-kobber17,18,19 diskrete nanostrukturer, samt andre legeringkombinasjoner 20, det har vært få syntese strategier for å oppnå en løsningsbasert teknikk for 3-dimensjonal platina legering og multi-metalliske strukturer.
Nylig demonstrerte vi bruk av høykonsentrasjonssaltløsninger og reduksjonsmidler for raskt å gi gull, palladium og platinametallgeler21,22. De høye konsentrasjonssaltløsningene og reduksjonsagentene ble også brukt til å syntetisere biopolymer edle metallkompositter ved hjelp av gelatin, cellulose og silke23,24,25,26. Uoppløselige salter representerer de høyeste konsentrasjonene av ioner som er tilgjengelige for å reduseres og ble brukt av Xiao og kolleger for å demonstrere syntesen av 2-dimensjonale metalloksider27,28. Ved å utvide demonstrasjonen av porøse edle metallaerogeler og kompositter fra saltløsninger med høy konsentrasjon, og ved å utnytte den høye tettheten av tilgjengelige ioner av uoppløselige salter, brukte vi Magnus’ salter og derivater som formmaler for å syntetisere porøse edle metallmakrorørog makrostråler 29,30,31,32.
Magnus ‘ salter montere fra tillegg av motsatt ladet firkantet planar platina ioner [PtCl4]2- og [Pt(NH3)4]2 + 33. På samme måte dannes Vauquelins salter fra kombinasjonen av motsatt ladede palladiumioner, [PdCl4]2- og [Pd(NH3)4]2+ 34. Med forløpersaltkonsentrasjoner på 100 mM danner de resulterende saltkrysene nåler 10s til 100s mikrometer lange, med kvadratbredder ca 100 nm til 3 μm. Mens saltmalene er ladenøytrale, gir varierende Magnus’ saltderivater stoichiometry mellom ionarter, som inkluderer [Cu(NH3)4]2 +kontroll over de resulterende reduserte metallforholdene. Kombinasjonen av ioner, og valg av kjemisk reduksjonsmiddel, resulterer i enten makrorør eller makrostråler med et firkantet tverrsnitt og en porøs nanostruktur bestående av enten smeltede nanopartikler eller nanofibriller. Makrorør og makrostråler ble også presset inn i frittstående filmer, og elektrokjemisk aktiv overflate ble bestemt med elektrokjemisk impedans spektroskopi og syklisk voltammetry. Saltmaltilnærmingen ble brukt til å syntetisere platinamakrorør29, platina-palladiummakrostråler 31, og i et forsøk på å redusere materialkostnader og tune katalytisk aktivitet ved å innlemme kobber, kobber-platina makrorør32. Den salt-fristende metoden ble også demonstrert for Au-Pd og Au-Pd-Cu binære og ternary metall makrorør og nanofoams30.
Her presenterer vi en metode for å syntetisere platina, platina-palladium og kobber-platina bi-metalliske porøse makrorør og makrostråler fra uoppløselige Magnus ‘ salt nål maler29,31,32. Kontroll av ion stoichiometry i salt nål maler gir kontroll over resulterende metall prosenter etter kjemisk reduksjon og kan verifiseres med røntgen diffraktometry og røntgen fotoelektron spektroskopi. De resulterende makrorørene og makrostrålene kan settes sammen og dannes til en frittstående film med håndtrykk. De resulterende filmene viser høye elektrokjemisk aktive overflateområder (ECSA) bestemt av elektrokjemisk impedansspektroskopi og syklisk voltammetri i H2SO4 og KCl elektrolytt. Denne metoden gir en syntese rute for å kontrollere platina-basert metall sammensetning, porøsitet, og nanostruktur på en rask og skalerbar måte som kan være generaliserbar til et bredere spekter av salt-maler.
Denne syntesemetoden demonstrerer en enkel, relativt rask tilnærming for å oppnå platinabaserte makrorør og makrorør med justerbar nanostruktur og elementær sammensetning som kan presses inn i frittstående filmer uten nødvendige bindingsmaterialer. Bruken av Magnus’ saltderivater som høystørrelsesforhold nåleformede maler gir midler til å kontrollere resulterende metallsammensetning gjennom saltmal stoichiometry, og kombinert med valg av å redusere middel, kontroll over nanostrukturen av makrorøret og makro…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansiert av et stipend fra United States Military Academy Faculty Development Research Fund. Forfatterne er takknemlige for hjelp fra Dr. Christopher Haines ved U.S Army Combat Capabilities Development Command. Forfatterne vil også takke Dr. Joshua Maurer for bruken av FIB-SEM ved U.S. Army CCDC-Armaments Center i Watervliet, New York.
50 mL Conical Tubes | Corning Costar Corp. | 430290 | |
Ag/AgCl Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
Cu(NH3)4SO4•H2O | Sigma-Aldrich | 10380-29-7 | |
dimethylamine borane (DMAB) | Sigma-Aldrich | 74-94-2 | |
K2PtCl4 | Sigma-Aldrich | 10025-99-7 | |
Miccrostop Lacquer | Tober Chemical Division | NA | |
Na2PdCl4 | Sigma-Aldrich | 13820-40-1 | |
NaBH4 | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | |
Polarized Optical Microscope | AmScope | PZ300JC | |
Potentiostat | Biologic-USA | VMP-3 | Electrochemical analysis-EIS, CV |
Pt wire electrode | BASi | MF-4130 | |
Pt(NH3)4Cl2•H2O | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
Scanning Electron Microscope | FEI | Helios 600 | EDS performed with this SEM |
Shelf Rocker | Thermo Scientific | Vari-Mix™ Platform Rocker | |
Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 1.7 mL | Cole Parmer | UX-06333-60 | |
X-ray diffractometer | PanAlytical | Empyrean | X-ray diffractometry |
X-ray photoelectron spectrometer | ULVAC PHI – Physical Electronics | VersaProbe III |