שיטת הסינתזה של הננו-סיבים תאית ביותבניות פלדיום מרוכבים
Summary
מוצג שיטת סינתזה של הביותבניות הביו-תאית של פלדיום. חומרי הגלם המורכבים הנובעים ממנה מציעים פוטנציאל ליישומים של מזרז, חישה ואחסון גז מימן.
Abstract
כאן, שיטה לסנתז ננו-סיב תאית ביולוגי פלדיום משולב aerogels מוצג. מתכת אצילית שיטות סינתזת סינתזה לעתים קרובות לגרום אירוג’ל שבריריים עם שליטה בצורה ירודה. השימוש carboxyמתילמוב תאית ננוסיבי (cnfs) כדי ליצור הידרוג’ל בונדד מאפשר להפחתת יוני מתכת כגון פלדיום על cnfs עם שליטה על מבנה ננו ו מאקרוסקופי אירוג’ל הצורה מונולית לאחר סופר ייבוש. באמצעות התחברות של מתיל הננו-מתיל תאית מושגת באמצעות 1-אתיל-3-(3-dimethylaminopropyl) קרבודיאימיד הידרוכלוריד (EDC) בנוכחות של ethlenediamine. ההידרוג CNF לשמור על הצורה שלהם במהלך שלבי סינתזה כולל הקשר הבין-קוולנטי, שיווי משקל עם יוני מקודמן, הפחתת מתכת עם ריכוז גבוה הפחתת הסוכן, שטיפה במים, החלפת הממס אתנול, ו-CO2 ייבוש סופר-קריטי. שינוי ריכוז יון פלדיום מקודמן מאפשר שליטה על תוכן מתכת ב-אירוג’ל הסופי המשולב באמצעות הפחתת כימית ישירה יון במקום להסתמך על ביולוגית איטית יחסית של חלקיקים טרום בנוי המשמשים אחרים שיטות סול-ג’ל. עם הדיפוזיה כבסיס להציג ולהסיר מינים כימיים לתוך ומחוץ ההידרוג’ל, שיטה זו מתאימה הגיאומטריות בצובר קטן וסרטים דקים. אפיון הננו-מיקרוסיבים תאית-פלדיום מרוכבים עם סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני, רנטגן הפצת שילוב, אנליזה טרמית של גז, מכשיר העכבה של גזי חנקן, ספקטרוסקופיית אלקטרוכימי ומחזורית מצביע על שטח גבוה, מתכת פלדיום מבנה נקבובי.
Introduction
Aerogels, שדווחו לראשונה על ידי קיסלר, מציעים נקבובי מבנים הזמנות של בגודל פחות צפוף מאשר החומר הצובר שלהם מקבילים1,2,3. Aerogels מתכת אציליים משכו עניין מדעי עבור הפוטנציאל שלהם כוח ואנרגיה, קטליטי, ויישומים חיישן. מתכת נאצלים אצילי כבר לאחרונה מסונתז באמצעות שתי אסטרטגיות בסיסיות. אסטרטגיה אחת היא לגרום להאלינציה של חלקיקים טרום בנוי4,5,6,7. סול-ג’ל גיבושו של חלקיקים יכול להיות מונע על ידי מולקולות מקשר, שינויים כוח יוניים פתרון, או פשוט ננו-חלקיק משטח אנרגיה חינם מיניזציה7,8,9. האסטרטגיה האחרת היא ליצור aerogels בשלב הפחתה אחת מתוך פתרונות מתכת קודמן9,10,11,12,13. גישה זו גם שימש ליצירת aerogels מתכתיים ומסגסוגת מתכת אצילית. האסטרטגיה הראשונה היא בדרך כלל איטית והיא עשויה לדרוש עד שבועות רבים לננו-חלקיק ביולוגית14. הגישה הפחתת ישירה, בעוד בדרך כלל מהירה יותר, סובלת שליטה בצורה ירודה על המאקרוסקופי אירוג’ל מונולית.
אחת הגישה הסינתזה כדי להתמודד עם אתגרים עם השליטה של אצילי מתכת אירוג’ל צורה מקרוסקופי ומבנה ננו הוא להעסיק bioטמפלרים15. ביוטמפלרים משתמשת במולקולות ביולוגיות החל מקולגן, ג’לטין, דנ א, וירוסים, כדי תאית כדי לספק תבנית בימוי צורה לסינתזה של מבני ננו, שבו הננו מבוססי מתכת המבוססים להניח את הגיאומטריה של ה מולקולת תבנית ביולוגית16,17. תאית ננו סיבים הם מושכים כמו biotemplate בהתחשב שפע טבעי גבוה של תאית חומרים, היחס הגבוה שלהם בהיבט הגיאומטריה הלינארית, ואת היכולת לתפקד כימית מונמרים גלוקוז שלהם18,19, . עשרים,21,22,23 ננו סיבים תאית (cnf) השתמשו כדי לסנתז TiO תלת מימדי2 ננו-חוט עבור photoanodes24, כסף ננו-משתמשים עבור אלקטרוניקה נייר שקוף25, ו פלדיום אירוג’ל קומפוזיטורית עבור מזרז26 . יתר על כן, טמפו, תחמוצת הננו סיבים תאית שימשו הן ביולוגית והפחתת סוכן בהכנת פלדיום מעוטר CNF aerogels27.
כאן, שיטה לסנתז ננו-סיב תאית ביולוגי פלדיום משולב aerogels מוצג26. Aerogels שבריריים עם שליטה בצורה ירודה מתרחשת בטווח אצילי מתכת מתכתי שיטות סינתזה. Carboxyמתילated ננוסיבי תאית (cnfs) השתמשו כדי ליצור הידרוג’ל קוולנטי לאפשר להפחתת יוני מתכת כגון פלדיום על cnfs לספק שליטה הן ננו מבנה מאקרוסקופי אירוג’ל הצורה מונולית לאחר ייבוש סופר. מתיל קרבוקלמתיל תאית ננוסיב מושגת באמצעות 1-אתיל-3-(3-dimethylaminopropyl) קרבודיאימיד הידרוכלוריד (EDC) בנוכחות של אתנולינאמין כמולקולה מקשר בין CNFs. ההידרוג CNF לשמור על צורתם לאורך שלבי הסינתזה כולל הקשר הבין-קוולנטי, שיווי משקל עם יוני מקודמן, הפחתת מתכת עם ריכוז גבוה הפחתת הסוכן, שטיפה במים, החלפת הממס אתנול, ו-CO2 ייבוש סופר-קריטי. וריאציה של ריכוז יונים קודמי מאפשר שליטה על התוכן הסופי אירוג’ל מתכת באמצעות הפחתת יון ישירה ולא להסתמך על הפרה איטית יחסית של חלקיקים טרום בנוי המשמשים בשיטות sol-ג’ל. עם הדיפוזיה כבסיס להציג ולהסיר מינים כימיים לתוך ומחוץ ההידרוג’ל, שיטה זו מתאימה הגיאומטריות בצובר קטן וסרטים דקים. אפיון הננו-מיקרוסיבים תאית-פלדיום מרוכבים עם סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני, רנטגן הפצת שילוב, אנליזה טרמית של גז, מכשיר העכבה של גזי חנקן, ספקטרוסקופיית אלקטרוכימי ומחזורית מצביע על שטח גבוה, פלדיום מתכת נקבובי מבנה המבנה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מתכת אצילית הננו-ביותבנית ביולוגית אירוג’ל ביולוגי שיטת סינתזה הציג כאן התוצאות מרוכבים יציב אירוג’ל עם הרכב מתכת לסביבה. הצלב הקוולנטי המקשר בין הסיבים התאית הדחוסה לאחר צנטריפוגה תוצאות בהידרוג’לים הינם עמידים באופן מכני במהלך השלבים הבאים של הסינתזה של פלדיום יון, הפחתת אלקטרוליציה, ש…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים אסירי תודה לד ר סטיבן ברטולוצ וד ר ג’ושוע מיימאדמן במעבדות ארה ב Benet לשימוש במיקרוסקופ אלקטרון שלהם סריקה. עבודה זו נתמכת על ידי מלגת קרן מחקר לפיתוח הפקולטה מהאקדמיה הצבאית של ארצות הברית, ווסט פוינט.
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
- Kistler, S. S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 127, 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 (3), 941 (2013).
- Tappan, B. C., Steiner, S. A., Luther, E. P. Nanoporous Metal Foams. Angewandte Chemie International Edition. 49 (27), 4544-4565 (2010).
- Bigall, N. C., et al. Hydrogels and Aerogels from Noble Metal Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 48 (51), 9731-9734 (2009).
- Ranmohotti, K. G. S., Gao, X., Arachchige, I. U. Salt-Mediated Self-Assembly of Metal Nanoshells into Monolithic Aerogel Frameworks. Chemistry of Materials. 25 (17), 3528-3534 (2013).
- Gao, X., Esteves, R. J., Luong, T. T. H., Jaini, R., Arachchige, I. U. Oxidation-Induced Self-Assembly of Ag Nanoshells into Transparent and Opaque Ag Hydrogels and Aerogels. Journal of the American Chemical Society. 136 (22), 7993-8002 (2014).
- Herrmann, A. -. K., et al. Multimetallic Aerogels by Template-Free Self-Assembly of Au, Ag, Pt, and Pd Nanoparticles. Chemistry of Materials. 26 (2), 1074-1083 (2014).
- Ding, Y., Chen, M., Erlebacher, J. Metallic Mesoporous Nanocomposites for Electrocatalysis. Journal of the American Chemical Society. 126 (22), 6876-6877 (2004).
- Liu, W., et al. High-Performance Electrocatalysis on Palladium Aerogels. Angewandte Chemie International Edition. 51 (23), 5743-5747 (2012).
- Shafaei Douk, A., Saravani, H., Noroozifar, M. Three-dimensional assembly of building blocks for the fabrication of Pd aerogel as a high performance electrocatalyst toward ethanol oxidation. Electrochimica Acta. 275, 182-191 (2018).
- Burpo, F. J., et al. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research. 32 (22), 4153-4165 (2017).
- Burpo, F. J., et al. A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction. JoVE. (136), e57875 (2018).
- Qin, G. W., et al. A Facile and Template-Free Method to Prepare Mesoporous Gold Sponge and Its Pore Size Control. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (28), 10352-10358 (2008).
- Hench, L. L., West, J. K. The Sol-Gel Process. Chemical Reviews. 90 (1), 33-72 (1990).
- Sotiropoulou, S., Sierra-Sastre, Y., Mark, S. S., Batt, C. A. Biotemplated Nanostructured Materials. Chemistry of Materials. 20 (3), 821-834 (2008).
- Huang, J., et al. Bio-inspired synthesis of metal nanomaterials and applications. Chemical Society Reviews. 44 (17), 6330-6374 (2015).
- Burpo, F. J., Mitropoulos, A. N., Nagelli, E. A., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. Gelatin biotemplated platinum aerogels. MRS Advances. 10, 1-6 (2018).
- Jarvis, M. Cellulose stacks up. Nature. 426, 611 (2003).
- Siró, I., Plackett, D. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose. 17 (3), 459-494 (2010).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Grishkewich, N., Mohammed, N., Tang, J., Tam, K. C. Recent advances in the application of cellulose nanocrystals. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 29, 32-45 (2017).
- Eyley, S., Thielemans, W. Surface modification of cellulose nanocrystals. Nanoscale. 6 (14), 7764-7779 (2014).
- Missoum, K., Belgacem, M., Bras, J. Nanofibrillated Cellulose Surface Modification. A Review. Materials. 6 (5), 1745 (2013).
- Li, Z., Yao, C., Wang, F., Cai, Z., Wang, X. Cellulose nanofiber-templated three-dimension TiO2 hierarchical nanowire network for photoelectrochemical photoanode. Nanotechnology. 25 (50), 504005 (2014).
- Hal Koga, ., et al. Uniformly connected conductive networks on cellulose nanofiber paper for transparent paper electronics. Npg Asia Materials. 6, 93 (2014).
- Fal Burpo, ., et al. Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Molecules. 23 (6), 1405 (2018).
- Gu, J., Hu, C., Zhang, W., Dichiara, A. B. Reagentless preparation of shape memory cellulose nanofibril aerogels decorated with Pd nanoparticles and their application in dye discoloration. Applied Catalysis B: Environmental. 237, 482-490 (2018).
- Coates, J. in A Practical Approach. In Encyclopedia of Analytical Chemistry .doi:10.1002/9780470027318.a5606 (ed. , (2006).
- Sal Wang, ., et al. Cellulose nanofiber-assisted dispersion of cellulose nanocrystals@polyaniline in water and its conductive films). RSC Advances. 6 (12), 10168-10174 (2016).
- Grabarek, Z., Gergely, J. Zero-length crosslinking procedure with the use of active esters. Analytical Biochemistry. 185 (1), 131-135 (1990).
- Shabanpour, B., Kazemi, M., Ojagh, S. M., Pourashouri, P. Bacterial cellulose nanofibers as reinforce in edible fish myofibrillar protein nanocomposite films. International Journal of Biological Macromolecules. 117, 742-751 (2018).
- Brunauer, B., Emmett, P., Teller, P. Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society. 60, (1938).
- Barrett, E., Joyner, L., Halenda, P. The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations. 73, (1951).
