Gözenekli Platin Bazlı Makrobeamler ve Makrotüpler için Tuz Şablonlu Sentez Yöntemi
Summary
Çözünmez tuz iğnesi şablonlarının kimyasal olarak azaltılması yoluyla kare kesitli gözenekli platin bazlı makrotüpler ve makroışınları elde etmek için bir sentez yöntemi sunulmaktadır.
Abstract
Yüksek yüzey alanı gözenekli asil metal nanomalzemelerin sentezi genellikle önceden oluşmuş nano taneciklerin zaman alıcı birleşerek birleşerek durulama ve süperkritik kurutma adımlarının ardından genellikle mekanik olarak kırılgan malzemelerle sonuçlanır. Burada, çözünmez tuz iğnesi şablonlarından kare kesitli nanoyapılı gözenekli platin bazlı makrotüpler ve makroışınları sentezleme yöntemi sunulmuştur. Zıt yüklü platin, paladyum ve bakır kare düzlemsel iyonların birleşimi çözünmez tuz iğnelerinin hızlı oluşumuna neden olabilir. Tuz şablonunda bulunan metal iyonlarının stokiyometrik oranına ve kimyasal azaltıcı madde seçimine bağlı olarak, makrotüpler veya makroışınlar erimiş nano partiküller veya nanofibrillerden oluşan gözenekli bir nanoyapıile oluşur. X-ışını diffraktometrisi ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi ile belirlenen makrotüplerin ve makroışınların elementbileşimi tuz şablonunda bulunan metal iyonlarının stokiyometrik oranı ile kontrol edilir. Makrotüpler ve makroışınlar serbest duran filmlere basılabilir ve elektrokimyasal olarak aktif yüzey alanı elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve döngüsel voltammetri ile belirlenir. Bu sentez yöntemi, yüksek yüzeyli alan platin bazlı makrotüpler ve ölçülebilir nanoyapı ve temel kompozisyonile, gerekli bağlayıcı malzeme içermeyen bağımsız filmlere sıkıştırılabilen makroışınları elde etmek için basit, nispeten hızlı bir yaklaşım göstermektedir.
Introduction
Çok sayıda sentez yöntemleri yüksek yüzey alanı elde etmek için geliştirilmiştir, yakıt hücreleri de dahil olmak üzere kataliz uygulamaları için öncelikle gözenekli platin bazlı malzemeler1. Bu tür malzemeler elde etmek için bir strateji küreler, küpler,teller ve tüpler2,3,4,5şeklinde monodisperse nano tanecikleri sentezlemektir. Fonksiyonel bir cihaz için gözenekli bir yapıya ayrık nano tanecikleri entegre etmek için, polimerik bağlayıcılar ve karbon katkı maddeleri genellikle6,7gereklidir. Bu strateji ekstra işleme adımları, zaman gerektirir ve kitleye özgü performansın azalmasına yol açabilir, ayrıca genişletilmiş cihaz kullanımı sırasında nano taneciklerin aglomerasyonu8. Başka bir strateji sonraki süperkritik kurutma9ile bir metal jel içine sentezlenmiş nano tanecikleri birleşerek sürücü 9,10,11. Asil metaller için sol-jel sentezi yaklaşımındaki gelişmeler haftalardan saatler veya dakikalar kadar hızlı jelleşme süresini kısaltmış olsa da, ortaya çıkan monolitler mekanik olarak kırılgan olma eğilimindedirler ve cihazlarda pratik kullanımlarını engellerler12.
Platin alaşımlı ve çok metalik 3 boyutlu gözenekli nanoyapılar katalitik özgüllük için akort yeteneği sunuyoruz, hem de platin yüksek maliyet ve göreceli kıtlığı adresi13,14. Platin-paladyum15,16 ve platin-bakır17,18,19 ayrık nanoyapılar, yanı sıra diğer alaşım kombinasyonları20çok sayıda rapor edilmiş olsa da, 3 boyutlu platin alaşım ve çok metalik yapılar için bir çözüm tabanlı teknik elde etmek için birkaç sentez stratejileri olmuştur.
Son zamanlarda hızlı bir şekilde altın, paladyum ve platin metal jeller21,22verim için yüksek konsantrasyontuz çözeltileri ve azaltıcı ajanlar kullanımını gösterdi. Yüksek konsantrasyontuz çözeltileri ve azaltıcı ajanlar da jelatin, selüloz ve ipek23, 24,25,26kullanarak biyopolimer asil metal kompozitsentez kullanılmıştır. Çözünmez tuzlar azaltmak için mevcut iyonların en yüksek konsantrasyonları temsil ve 2 boyutlu metal oksitlerin sentezini göstermek için Xiao ve meslektaşları tarafından kullanılmıştır27,28. Gözenekli asil metal aerogels ve kompozitler yüksek konsantrasyonlu tuz çözeltileri gösteri genişletilmesi ve çözünmez tuzların mevcut iyonların yüksek yoğunluklu yararlanarak, biz şekil şablonları olarak gözenekli asil metal makrotüpler ve makroışınları sentezlemek için Magnus ‘tuzları ve türevleri kullanılır29,30,31,32.
Magnus’un tuzları ters yüklü kare düzlemsel platin iyonlarının eklenmesiyle biraraya getirilir [PtCl4]2- ve [Pt(NH3)4]2+ 33. Benzer şekilde, Vauquelin tuzları ters yüklü paladyum iyonları kombinasyonu oluşur, [PdCl4]2- ve [Pd(NH3)4]2 + 34. 100 mM’lik öncül tuz konsantrasyonları ile ortaya çıkan tuz kristalleri 10 ila 100 mikrometre uzunluğunda iğneler oluşturur ve yaklaşık 100 nm ila 3 m arasında kare genişlikleri oluşturur. Tuz şablonları şarj nötr olmakla birlikte, Magnus’un tuz türevleri iyon türleri arasında değişen [Cu(NH3)4]2+içerecek şekilde, elde edilen azaltılmış metal oranları üzerinde kontrol sağlar. İyonların kombinasyonu ve kimyasal azaltıcı madde seçimi, makrotüpler veya makroışınların kare kesitle ve erimiş nano partiküllerden veya nanofibrüllerden oluşan gözenekli bir nanoyapıya neden olur. Makrotüpler ve makroışınlar da serbest duran filmlere bastırıldı ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve döngüsel voltammetri ile elektrokimyasal aktif yüzey alanı belirlendi. Tuz şablonu yaklaşımı platin makrotüpler sentezlemek için kullanılmıştır29, platin-paladyum makrokirişler31, ve bir çaba malzeme maliyetlerini düşürmek ve bakır birleştirerek katalitik aktivite ayarlamak, bakır-platin makrotüpler32. Tuz-templating yöntemi de Au-Pd ve Au-Pd-Cu ikili ve üçüncül metal makrotüpler ve nanoköpükler için gösterilmiştir30.
Burada, çözünmez Magnus ‘tuz iğnesi şablonları29,31,32platin, platin-paladyum ve bakır-platin bi-metalik gözenekli makrotüpler ve makroışınları sentezlemek için bir yöntem sıyoruz. Tuz iğnesi şablonlarında iyon stokiyometrisinin kontrolü kimyasal redüksiyon dan sonra ortaya çıkan metal oranları üzerinde kontrol sağlar ve x-ışını diffraktometrisi ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi ile doğrulanabilir. Elde edilen makrotüpler ve makroışınları monte edilebilir ve el basıncı ile serbest duran bir film haline oluşturulabilir. Ortaya çıkan filmler, H2SO4 ve KCl elektrolitinde elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve döngüsel voltammetri ile belirlenen yüksek elektrokimyasal aktif yüzey alanları (ECSA) sergiler. Bu yöntem, platin bazlı metal bileşimi, gözeneklilik ve nanoyapıyı daha geniş bir tuz şablonaralığına genelleştirilebilir hızlı ve ölçeklenebilir bir şekilde kontrol etmek için bir sentez yolu sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu sentez yöntemi, yüksek yüzeyli alan platin bazlı makrotüpler ve ölçülebilir nanoyapı ve temel kompozisyonile, gerekli bağlayıcı malzeme içermeyen bağımsız filmlere sıkıştırılabilen makroışınları elde etmek için basit, nispeten hızlı bir yaklaşım göstermektedir. Magnus’un tuz türevlerinin yüksek boy oranı iğne şeklindeki şablonlar olarak kullanılması, ortaya çıkan metal bileşimini tuz şablonu stokiyometrisi yoluyla kontrol etmek ve azalan ajan seçimiyle birleştirildiğinde m…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Amerika Birleşik Devletleri Askeri Akademisi Fakülte Geliştirme Araştırma Fonu hibe tarafından finanse edilmiştir. Yazarlar Abd Ordusu Muharebe Yetenekleri Geliştirme Komutanlığı’nda Dr Christopher Haines yardım için müteşekkiriz. Yazarlar ayrıca Watervliet, New York’taki ABD Ordusu CCDC-Silahlanma Merkezi’nde FIB-SEM kullanımı için Dr Joshua Maurer teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| 50 mL Conical Tubes | Corning Costar Corp. | 430290 | |
| Ag/AgCl Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
| Cu(NH3)4SO4Ÿ•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)4Cl2Ÿ•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 |
Riferimenti
- Chen, A., Holt-Hindle, P. Platinum-Based Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Applications. Chemical Reviews. 110 (6), 3767-3804 (2010).
- Narayanan, R., El-Sayed, M. A. Shape-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanoparticles in Colloidal Solution. Nano Letters. 4 (7), 1343-1348 (2004).
- Wang, C., Daimon, H., Onodera, T., Koda, T., Sun, S. A General Approach to the Size and Shape-Controlled Synthesis of Platinum Nanoparticles and Their Catalytic Reduction of Oxygen. Angewandte Chemie International Edition. 47 (19), 3588-3591 (2008).
- Song, Y., et al. Synthesis of Platinum Nanowire Networks Using a Soft Template. Nano Letters. 7 (12), 3650-3655 (2007).
- Liu, L., Yoo, S. H., Park, S. Synthesis of Vertically Aligned Hollow Platinum Nanotubes with Single Crystalline Nanoflakes. Chemistry of Materials. 22 (8), 2681-2684 (2010).
- Ehrburger, P., Mahajan, O. P., Walker, P. L. Carbon as a support for catalysts: I. Effect of surface heterogeneity of carbon on dispersion of platinum. Journal of Catalysis. 43 (1), 61-67 (1976).
- Liu, H. S., et al. A review of anode catalysis in the direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources. 155 (2), 95-110 (2006).
- Zhang, S., et al. A review of platinum-based catalyst layer degradation in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources. 194 (2), 588-600 (2009).
- Wei, L., et al. Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 52 (37), 9849-9852 (2013).
- Liu, W., et al. Noble Metal Aerogels-Synthesis, Characterization, and Application as Electrocatalysts. Accounts of Chemical Research. 48 (2), 154-162 (2015).
- Naskar, S., et al. Porous Aerogels from Shape-Controlled Metal Nanoparticles Directly from Nonpolar Colloidal Solution. Chemistry of Materials. 29 (21), 9208-9217 (2017).
- Du, R., et al. Emerging Noble Metal Aerogels: State of the Art and a Look Forward. Matter. 1 (1), 39-56 (2019).
- Qiu, X., et al. Template-engaged synthesis of hollow porous platinum–palladium alloy nanospheres for efficient methanol electro-oxidation. Journal of Power Sources. 302, 195-201 (2016).
- Yamauchi, Y., et al. Electrochemical Synthesis of Mesoporous Pt–Au Binary Alloys with Tunable Compositions for Enhancement of Electrochemical Performance. Journal of the American Chemical Society. 134 (11), 5100-5109 (2012).
- Lim, B., et al. Twin-Induced Growth of Palladium–Platinum Alloy Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 48 (34), 6304-6308 (2009).
- Lim, B., et al. Pd-Pt Bimetallic Nanodendrites with High Activity for Oxygen Reduction. Science. 324 (5932), 1302-1305 (2009).
- Han, L., et al. A seed-mediated approach to the morphology-controlled synthesis of bimetallic copper-platinum alloy nanoparticles with enhanced electrocatalytic performance for the methanol oxidation reaction. Journal of Power Sources. 286, 488-494 (2015).
- Xu, C., et al. Nanotubular Mesoporous PdCu Bimetallic Electrocatalysts toward Oxygen Reduction Reaction. Chemistry of Materials. 21 (14), 3110-3116 (2009).
- Xu, D., et al. Solution-Based Evolution and Enhanced Methanol Oxidation Activity of Monodisperse Platinum-Copper Nanocubes. Angewandte Chemie International Edition. 48 (23), 4217-4221 (2009).
- Stamenkovic, V. R., et al. Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability. Science. 315 (5811), 493-497 (2007).
- 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. Journal of Visualized Experiments. (136), e57875 (2018).
- Burpo, F. J., Mitropoulos, A. N., Nagelli, E. A., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. Gelatin biotemplated platinum aerogels. MRS Advances. , 1-6 (2018).
- Burpo, F., et al. Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Molecules. 23 (6), 1405 (2018).
- Burpo, F. J., et al. Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Journal of Visualized Experiments. (147), e59176 (2019).
- Mitropoulos, A. N., et al. Metal Composite Porous Silk Fibroin Aerogel Fibers. Materials. 12 (6), 894 (2019).
- Xiao, X., et al. Salt-Templated Synthesis of 2D Metallic MoN and Other Nitrides. ACS Nano. 11 (2), 2180-2186 (2017).
- Xiao, X., et al. Scalable salt-templated synthesis of two-dimensional transition metal oxides. Nature Communications. 7, 11296 (2016).
- Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Hierarchically Porous Platinum Macrotube Synthesis. Chemistry Select. 3 (16), 4542-4546 (2018).
- Burpo, F., Nagelli, E., Morris, L., Woronowicz, K., Mitropoulos, A. Salt-Mediated Au-Cu Nanofoam and Au-Cu-Pd Porous Macrobeam Synthesis. Molecules. 23 (7), 1701 (2018).
- Burpo, F. J., et al. Salt-templated platinum-palladium porous macrobeam synthesis. MRS Communications. 9 (1), 280-287 (2019).
- Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Platinum-Copper Porous Macrobeams for Ethanol Oxidation. Catalysts. 9 (8), 662 (2019).
- Magnus, G. Ueber einige Verbindungen des Platinchlorürs. Annalen der Physik. 90 (10), 239-242 (1828).
- Vauquelin, N. L. Memoire sur le Palladium et le Rhodium. Annales de Chimie. 88, 167-198 (1813).
- Bremi, J., et al. From Vauquelin’s and Magnus’ Salts to Gels, Uniaxially Oriented Films, and Fibers: Synthesis, Characterization, and Properties of Tetrakis(1-aminoalkane)metal(II) Tetrachlorometalates(II). Chemistry of Materials. 11 (4), 977-994 (1999).
- Bremi, J., Caseri, W., Smith, P. A new compound derived from Magnus’ green salt: solid state structure and evidence for platinum chains in solution. Journal of Materials Chemistry. 11 (10), 2593-2596 (2001).
- Caseri, W. Derivatives of Magnus’ Green Salt. Platinum Metals Review. 48 (3), 91 (2004).
