Syntese metode for cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium kompositt Aerogeler
Summary
En syntese metode for cellulose nanofiber biotemplated Palladium kompositt aerogeler er presentert. De resulterende kompositt Aerogel materialene gir potensial for katalyse, sensing, og hydrogengass lagring applikasjoner.
Abstract
Her er en metode for å syntetisere cellulose nanofiber biotemplated Palladium kompositt aerogeler presenteres. Edle metall Aerogel syntese metoder ofte resulterer i skjøre aerogeler med dårlig formkontroll. Bruken av carboxymethylated cellulose nanofibre (CNFs) for å danne en covalently limt hydrogel gir mulighet for reduksjon av metall ioner som Palladium på CNFs med kontroll over både nanostructure og makroskopisk Aerogel Monolitten form etter superkritisk Tørking. Cross Linking den carboxymethylated cellulose nanofibre oppnås ved hjelp av 1-etanol-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) i nærvær av etylendiamin. CNF hydrogeler opprettholder sin form gjennom syntese trinn inkludert kovalente Cross Linking, likevekts med forløper ioner, metall reduksjon med høy konsentrasjon reduksjonsmiddel, skylling i vann, etanol løsemiddel utveksling, og CO2 superkritisk tørking. Varierende forløperen Palladium-konsentrasjonen gir kontroll over metall innholdet i den endelige Aerogel kompositt gjennom en direkte ion kjemisk reduksjon i stedet for å stole på den relativt langsomme Koalesens av pre-formede nanopartikler som brukes i andre Sol-gel teknikker. Med diffusjon som grunnlag for å innføre og fjerne kjemiske arter inn og ut av hydrogel, er denne metoden egnet for mindre bulk geometri og tynne filmer. Karakterisering av cellulose nanofiber-Palladium kompositt aerogeler med skanning elektron mikroskopi, røntgen diffractometry, termisk gravimetrisk analyse, nitrogen gass absorpsjon, elektrokjemiske impedans spektroskopi, og syklisk voltammetri indikerer et høyt overflateareal, metallisert Palladium porøs struktur.
Introduction
Aerogeler, først rapportert av steiner, tilbyr porøse strukturer størrelsesordener mindre tett enn deres bulk materielle motstykker1,2,3. Noble metal-aerogeler har tiltrukket seg vitenskapelig interesse for potensialet sitt i kraft-og energi-, katalysator-og sensor applikasjoner. Noble metal aerogeler har nylig blitt syntetisert via to grunnleggende strategier. En strategi er å indusere Koalesens av pre-formet nanopartikler4,5,6,7. Sol-gel Koalesens av nanopartikler kan bli drevet av linker molekyler, endringer i løsning ioniske styrke, eller enkel nanopartikkel overflate fri energi minimering7,8,9. Den andre strategien er å danne aerogeler i et enkelt reduksjons trinn fra metall forløper løsninger9,10, 11,12,13. Denne tilnærmingen har også blitt brukt til å danne bimetall og legering edle metall aerogeler. Den første strategien er generelt langsom og kan kreve opp til mange uker for nanopartikkel Koalesens14. Den direkte reduksjonen tilnærmingen, mens generelt raskere, lider av dårlig formkontroll over makroskopisk Aerogel Monolitten.
En mulig syntese tilnærming til adressen utfordringer med kontroll av edle metall Aerogel makroskopisk form og nanostructure er å ansette biotemplating15. Biotemplating bruker biologiske molekyler som spenner fra kollagen, gelatin, DNA, virus, til cellulose for å gi en form-regi mal for syntesen av nanostrukturer, der den resulterende metall-baserte nanostrukturer anta geometrien av biologiske mal molekyl16,17. Cellulose nanofibre er tiltalende som en biotemplate gitt den høye naturlige overflod av cellulosic materialer, deres høye størrelsesforhold lineær geometri, og evne til kjemisk funksjonalisere deres glukose monomerer18,19, 20,21,22,23. Cellulose nanofibre (CNF) har blitt brukt til å syntetisere tredimensjonal TiO2 nanotråder for photoanodes24, sølv nanotråder for transparent papir elektronikk25, og Palladium Aerogel kompositter for katalyse26 . Videre har TEMPO-oksidert cellulose nanofibre blitt brukt både som biotemplate og reduksjonsmiddel i utarbeidelsen av Palladium dekorerte CNF aerogeler27.
Her er en metode for å syntetisere cellulose nanofiber biotemplated Palladium kompositt aerogeler presenteres26. Skjøre aerogeler med dårlig formkontroll oppstår for en rekke edle metall Aerogel syntese metoder. Carboxymethylated cellulose nanofibre (CNFs) brukes til å danne en kovalente hydrogel tillate reduksjon av metall ioner som Palladium på CNFs gi kontroll over både nanostructure og makroskopisk Aerogel Monolitten form etter superkritisk tørking. Carboxymethylated cellulose nanofiber Cross Linking oppnås ved hjelp av 1-etanol-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) i nærvær av etylendiamin som en linker molekyl mellom CNFs. CNF hydrogeler opprettholder sin form gjennom hele syntese trinnene inkludert kovalente Cross Linking, likevekts med forløper ioner, metall reduksjon med høy konsentrasjon reduksjonsmiddel, skylling i vann, etanol løsemiddel utveksling, og CO2 superkritisk tørking. Forløperen ion konsentrasjonen variasjon innrømmer for kontroll med det final Aerogel metallisk innhold igjennom en direkte ion reduksjon snarere enn tillit til det relativt langsom Koalesens av pre-dannet nanopartikler anvendt inne Sol-gel metoder. Med diffusjon som grunnlag for å innføre og fjerne kjemiske arter inn og ut av hydrogel, er denne metoden egnet for mindre bulk geometri og tynne filmer. Karakterisering av cellulose nanofiber-Palladium kompositt aerogeler med skanning elektron mikroskopi, røntgen diffractometry, termisk gravimetrisk analyse, nitrogen gass absorpsjon, elektrokjemiske impedans spektroskopi, og syklisk voltammetri indikerer et høyt overflateareal, metalized Palladium porøs struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den edle metall cellulose nanofiber biotemplated Aerogel syntese metoden presenteres her resulterer i stabile Aerogel kompositter med tunable metall sammensetning. Den kovalente Cross Linking av den komprimerte cellulose nanofibre etter sentrifugering resulterer i hydrogeler som er mekanisk holdbare under påfølgende syntese trinn av Palladium ion likevekts, elektrokjemiske reduksjon, skylling, løsemiddel utveksling, og superkritisk tørking. Den hydrogel stabiliteten er viktig under elektrokjemiske reduksjons trinn, g…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige for Dr. Stephen Bartolucci og Dr. Joshua Maurer på US Army benet Laboratories for bruk av deres skanning elektronmikroskop. Dette arbeidet ble støttet av en fakultet Development Research Fund stipend fra United States Military Academy, 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
- 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).
