Au、Pd、およびソリューションに基づく還元を介して Pt エアロゲルの迅速合成法
Summary
Au, Pd, Pt のエアロゲルを取得するソリューション ベースの削減が急速に、直接合成する方法が表示されます。
Abstract
ここでは、金、パラジウム、および急速に、直接ソリューション ベースの減少によってプラチナ エアロゲルを合成する手法を提案します。数秒 ~ 数分以内金属ゲルの形成に 1:1 (v/v) 比の結果の還元剤に様々 な前駆体金属イオンの組み合わせは、ゾル-ゲルなど他の技術の多く合成時間が長いと比較。遠心機の削減ステップを行う管または少量の円錐管提案の核形成、成長、緻密化、融合、最終的なゲル ジオメトリの最初の反応量よりも小さいと、ゲル形成のための平衡モデルを促進します。このメソッドは、削減ステップの試薬濃度の結果としての副産物として積極的な水素ガスの利点を受け取ります。電気化学インピー ダンス分光法とサイクリックボルタンメトリー溶剤アクセス可能な表面積が決定されます。洗浄と凍結乾燥、走査電子顕微鏡、x 線回折法と窒素ガス吸着の結果のエアロゲルの構造が調べられます。合成手法と評価手法は、エアロゲル靭帯サイズの近い対応。金属エアロゲルのこの合成法では、その高い比表面積のモノリスは、急速に、直接削減アプローチと達成されるかもしれないを示します。
Introduction
エネルギー貯蔵・変換、触媒、センサーの用途の広い範囲の恩恵を化学反応と物質移動特性1,2、制御を提供する三次元金属ナノ構造体 3,4,5。このような 3 次元金属ナノ構造さらには、導電性、延性、展性、強度8,9を強化します。デバイスへの統合には、フリースタンディングまたはサポート材料と複合材料であることが必要となります。サポート構造体にナノ材料の取り込み活物質を最小限に抑える手段を提供しますが、弱い吸着と最終的な集積デバイス操作10,11の間に苦しむことがあります。
個々 のナノ粒子のサイズと形状を制御する合成法の様々 ないくつかのアプローチは連続した 3 次元ナノ材料12,13,14制御を有効にします。ジチオール単分散ナノ粒子、ゾル-ゲル形成、ナノ粒子の合体、複合材料、ナノ粒子チェーン、biotemplating15,16の連携による貴金属 3 次元ナノ構造が形成されています。,17,18. これらのアプローチの多くは、数日から数週間ご希望の材料を生成するための順序の合成時間を必要とします。貴金属 nanofoams 前駆体塩溶液の還元から合成される高速合成スケールと数百 μ m の長さの短距離秩序に用意されているが、デバイス統合の押す機械を必要とします。19,20。
キスラーによって報告された最初、エアロゲルは、桁違いのバルク材料対応21,22,23より密度が低く、高い比表面積を持つ多孔質の構造を達成するために合成ルートを提供します。.バルク材料の巨視的長さスケールを 3 次元構造を拡張するナノ粒子凝集体または nanofoams サポート材料や機械加工を必要とする以上の利点を提供しています。エアロゲルは、合成時間を拡張気孔率と粒子径の機能、ただし、制御への合成ルートを提供しながら、いくつかのエージェントまたはリンカー分子、全体的な処理の手順と時間の増加の上限の使用をケースします。
ここで急速に、直接ソリューション ベースの還元によるエアロゲルはプラチナ、パラジウム、金を合成する方法には、24が表示されます。1:1 の還元剤と様々 な前駆体金属イオンを組み合わせること (v/v) 比数秒 ~ 数分以内金属ゲルの形成に比べてゾル-ゲルなど他の技術の合成時間が長いくらい。提案の核形成、成長、緻密化、融合、ゲル形成のための平衡モデルを促進する削減ステップの副産物として積極的な水素ガスの微量遠心チューブまたは少量の円錐管の使用を活用します。エアロゲルのナノ構造機能サイズに密接な相関関係は、走査型電子顕微鏡画像の解析、x 線回折、窒素ガス吸着、電気化学インピー ダンス分光法、サイクリックボルタンメトリーで決まります。電気化学インピー ダンス分光法とサイクリックボルタンメトリー溶剤アクセス可能な表面積が決定されます。金属エアロゲルのこの合成法では、その高い比表面積のモノリスは、急速に、直接削減アプローチと達成されるかもしれないを示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
金属エアロゲルの合成法は、低速の合成技術に匹敵する多孔質で高表面積モノリスの急速な形成の結果を紹介しました。還元剤ソリューション比に 1:1 (v/v) 金属イオン溶液が提案ゲル形成モデルを促進する上で重要です。金属イオンの電気化学的還元の副産物として急速な水素ガスはセカンダリ還元剤として機能し、緻密化、およびゲル形成過程におけるナノ粒子の成長の融合が容易になり?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、彼のインスピレーションと技術的な洞察力のためのエアロジェル テクノロジーでスティーブン ・ シュタイナーと陸軍研究所センサーと電子デバイス本部兵器研究で博士クリストファー ・ ヘインズでデリン チュ博士に感謝開発技術センター、米国陸軍 RDECOM ARDEC、・彼らの支援のため米国陸軍ベネット研究所で博士スティーブン ・ Bartolucci。この作品が支持されたアメリカ合衆国陸軍士官学校ウェスト ポイントから部開発研究基金助成金によって。
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).
