Método de síntesis para la celulosa nanofibra Biotemplated Palladium Composite Aerogels
Summary
Se presenta un método de síntesis para los aerogeles compuestos de paladio bioplantillados con celulosa. Los materiales de aerogel compuesto resultantes ofrecen potencial para aplicaciones de catálisis, detección y almacenamiento de gas hidrógeno.
Abstract
Aquí, se presenta un método para sintetizar aerogeles compuestos de paladio bioplantillados de celulosa. Los métodos nobles de síntesis de aerogeles metálicos a menudo dan como resultado aerogeles frágiles con un control de forma deficiente. El uso de nanofibras de celulosa carboximetilada (CNF) para formar un hidrogel unido covalentemente permite la reducción de iones metálicos como el paladio en los CNF con control sobre la nanoestructura y la forma de monolito de aerogel macroscópica después de supercrítico Secado. El reticulado de las nanofibras de celulosa carboximetilada se logra utilizando 1-etil-3-(3-dimetilaminopropyl) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina. Los hidrogeles CNF mantienen su forma a lo largo de los pasos de síntesis, incluyendo reticulación covalente, equilibrio con iones precursores, reducción de metales con agente reductor de alta concentración, enlinado en agua, intercambio de disolventes de etanol y CO2 secado supercrítico. La variación de la concentración de iones de paladio precursor permite controlar el contenido de metal en el compuesto de aerogel final a través de una reducción química de iones directos en lugar de depender de la carbonescencia relativamente lenta de nanopartículas preformadas utilizadas en otras técnicas sol-gel. Con la difusión como base para introducir y eliminar especies químicas dentro y fuera del hidrogel, este método es adecuado para geometrías a granel más pequeñas y películas delgadas. Caracterización de los aerogeles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa con microscopía electrónica de barrido, difractometría de rayos X, análisis gravimétrico térmico, adsorción de gas nitrógeno, espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica indica una alta superficie, estructura paladio metalizada.
Introduction
Los aerogeles, reportados por primera vez por Kistler, ofrecen estructuras porosas órdenes de magnitud menos densas que sus homólogos de material a granel1,2,3. Los aerogeles metálicos nobles han atraído interés científico por su potencial en aplicaciones de energía y energía, catalíticas y sensores. Los aerogeles metálicos nobles se han sintetizado recientemente a través de dos estrategias básicas. Una estrategia es inducir la carbonescencia de las nanopartículas preformadas4,5,6,7. La carbonescencia sol-gel de nanopartículas puede ser impulsada por moléculas de eslabones, cambios en la resistencia iónica de la solución, o minimización de energía libre de superficie de nanopartículassimple 7,8,9. La otra estrategia es formar aerogeles en un solo paso de reducción a partir de soluciones precursoras metálicas9,10,11,12,13. Este enfoque también se ha utilizado para formar aerogeles de metal noble bimetálico y de aleación. La primera estrategia es generalmente lenta y puede requerir hasta muchas semanas para la carbonescencia de nanopartículas14. El enfoque de reducción directa, aunque generalmente más rápido, sufre de un mal control de la forma sobre el monolito de aerogel macroscópico.
Un posible enfoque de síntesis para abordar los desafíos con el control de la forma macroscópica y nanoestructura del aerogel de metal noble es emplear bio-templación15. Bio-templación utiliza moléculas biológicas que van desde colágeno, gelatina, ADN, virus, hasta celulosa para proporcionar una plantilla de segmentación de formas para la síntesis de nanoestructuras, donde las nanoestructuras metálicas resultantes asumen la geometría de la molécula de plantilla biológica16,17. Las nanofibras de celulosa son atractivas como bioplantilla dada la alta abundancia natural de materiales celulósicos, su geometría lineal de alta relación de aspecto y la capacidad de funcionalizar químicamente sus monómeros de glucosa18,19, 20,21,22,23. Las nanofibras de celulosa (CNF) se han utilizado para sintetizar nanohilos TiO2 tridimensionales para fotoanodos24,nanohilos de plata para electrónica de papel transparente25y compuestos de paladio aerogel para catálisis26 . Además, las nanofibras de celulosa oxidizadas TEMPO se han utilizado tanto como bioplantillacomo agente reductor en la preparación de aerogeles CNF 27 decorados con paladio.
Aquí, se presenta un método para sintetizar aerogeles compuestos de paladio bioplantillados de celulosa26. Los aerogeles frágiles con un control de forma deficiente se producen para una gama noble de métodos de síntesis de aerogeles metálicos. Las nanofibras de celulosa carboximetilada (CNF) utilizadas para formar un hidrogel covalente permiten la reducción de iones metálicos como el paladio en los CNF que proporcionan control sobre la nanoestructura y la forma de monolito de aerogel macroscópica después del secado supercrítico. La reticulación entre nanofibras de celulosa carboximetilada se logra utilizando 1-etil-3-(3-dimetilaminopropyl) clorhidrato de carbodiimida (EDC) en presencia de etilendiamina como molécula vinculadora entre los CNF. Los hidrogeles CNF mantienen su forma a lo largo de los pasos de síntesis, incluyendo reticulación covalente, equilibrio con iones precursores, reducción de metales con agente reductor de alta concentración, enlinado en agua, intercambio de disolventes de etanol y CO2 secado supercrítico. La variación de la concentración de iones precursores permite controlar el contenido final de metal aerogel a través de una reducción directa de iones en lugar de depender de la carbonescencia relativamente lenta de nanopartículas preformadas utilizadas en métodos sol-gel. Con la difusión como base para introducir y eliminar especies químicas dentro y fuera del hidrogel, este método es adecuado para geometrías a granel más pequeñas y películas delgadas. Caracterización de los aerogeles compuestos de nanofibra-paladio de celulosa con microscopía electrónica de barrido, difractometría de rayos X, análisis gravimétrico térmico, adsorción de gas nitrógeno, espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica indica una estructura porosa de paladio metalizada de alta superficie.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método de síntesis de aerogel bioplantilla de celulosa metálica noble bioplantillado aquí da como resultado compuestos de aerogel estable con composición metálica ajustable. La reticulación covalente de las nanofibras de celulosa compactadas después de la centrifugación da como resultado hidrogeles que son mecánicamente duraderos durante los siguientes pasos de síntesis de equilibrio de iones de paladio, reducción electroquímica, enrizado, disolvente intercambio, y el secado supercrítico. La estabilidad …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores están agradecidos con el Dr. Stephen Bartolucci y el Dr. Joshua Maurer en los Laboratorios Benet del Ejército de los Estados Unidos por el uso de su microscopio electrónico de escaneo. Este trabajo fue apoyado por una subvención del Fondo de Investigación para el Desarrollo Docente de la Academia Militar de los Estados Unidos, West Point.
Materials
| 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 |
References
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