طريقة تجميع ذات قالب ملح لBebeams و Macrotubes ذات الثغرات المسامية المستندة إلى البلاتين
Summary
يتم عرض طريقة توليفية للحصول على الأنابيب الكبيرة والبيكرويوم المسامية المستندة إلى البلاتين مع مقطع عرضي مربع من خلال الحد الكيميائي لقوالب إبرة الملح غير القابلة للذوبان.
Abstract
إن تركيب المواد النانوية المعدنية النبيلة المسامية في المنطقة السطحية العالية يعتمد بشكل عام على الدمج الذي يستغرق وقتاً طويلاً من الجسيمات النانوية التي تم تشكيلها مسبقاً، متبوعاً بخطوات التجفيف الشطفية والبيرنكية، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى مواد هشة ميكانيكياً. هنا ، يتم تقديم طريقة لتجميع الأنابيب الصغيرة ذات البنية النانوية المسامية والبيامترات الصغيرة مع مقطع عرضي مربع من قوالب إبرة الملح غير القابلة للذوبان. مزيج من البلاتين المشحونة على العكس، البلاديوم، والنحاس مربع بلانان أيونات النتائج في تشكيل سريع من إبر الملح غير قابلة للذوبان. اعتمادا على نسبة الرصينة من الأيونات المعدنية الموجودة في قالب الملح واختيار عامل الحد من المواد الكيميائية، إما macrotubes أو macrobeams شكل مع بنية نانوية مسامية تتألف إما من الجسيمات النانوية المصهرة أو nanofibrils. يتم التحكم في التكوين العنصرى للأنابيب الماكروية وbebeams ، التي تتحدد باستخدام قياس الأشعة السينية والتحليل الطيفي الضوئي بالأشعة السينية ، من خلال نسبة الرصين للأيونات المعدنية الموجودة في قالب الملح. يمكن الضغط على الأنابيب الماكرو وbebeams في الأفلام الدائمة الحرة، ويتم تحديد مساحة السطح النشطة كهروكيميائي مع التحليل الطيفي مقاومة الكهروكيميائية والفولتممترية الدورية. هذه الطريقة التوليف يدل على بسيطة، نهج سريع نسبيا لتحقيق ارتفاع في المساحة البلاتينية المستندة إلى الأنابيب macrotube و macrobeams مع بنية نانوية قابلة للتوابل ومكونات عنصري التي يمكن الضغط عليها في الأفلام القائمة بذاتها مع عدم وجود مواد ملزمة المطلوبة.
Introduction
وقد تم تطوير العديد من طرق التوليف للحصول على مساحة عالية من السطح، والمواد البلاتينية المسامية المستندة أساسا لتطبيقات الحفز بما في ذلك خلايا الوقود1. استراتيجية واحدة لتحقيق هذه المواد هو توليف أحادية الجسيمات النانوية في شكل مجالات ، مكعبات ، أسلاك ، وأنابيب2،3،4،5. لدمج الجسيمات النانوية المنفصلة في بنية مسامية لجهاز وظيفي ، غالبًا ما تكون مطلوبة المجلدات البوليمرية والمواد المضافة الكربونية6،7. هذه الاستراتيجية تتطلب خطوات معالجة إضافية، والوقت، ويمكن أن يؤدي إلى انخفاض في الأداء الشامل محددة، فضلا عن التكتل من الجسيمات النانوية أثناء استخدام الجهازالموسعة 8. استراتيجية أخرى هي دفع الاندماج من الجسيمات النانوية توليفها في هلام معدني مع التجفيف فوق الحرجة اللاحقة9،10،11. في حين أن التقدم في نهج التوليف سول هلام للمعادن النبيلة قد خفضت الوقت هلام من أسابيع إلى سرعة ساعات أو دقائق، والمجانسة الناتجة تميل إلى أن تكون هشة ميكانيكيا عرقلة استخدامها العملي في الأجهزة12.
سبائك البلاتين ومتعددة المعادن 3-13 الأبعاد نانومترية مسامية تقدم إمكانية التونة لخصوصية الحفاز، فضلا عن معالجة التكلفة العالية والندرة النسبية من البلاتين13،14. في حين كانت هناك تقارير عديدة من البلاتين البلاديوم15،16 وبلاتين والنحاس17،18،19 من الهياكل النانوية المنفصلة ، فضلا عن تركيبات سبائك أخرى20، كانت هناك استراتيجيات توليف قليلة لتحقيق تقنية قائمة على الحل لسبائك البلاتين ثلاثية الأبعاد والهياكل متعددة الفلزات.
في الآونة الأخيرة أظهرنا استخدام محلول الملح عالي التركيز وتقليل العوامل التي تؤدي بسرعة إلى الذهب ، البلاديوم ، والهلام المعدني البلاتيني21،22. كما استخدمت حلول الملح تركيز عالية والحد من العوامل في تصنيع مركبات معدنية نبيلة بيوبولمر باستخدام الجيلاتين، السليلوز، والحرير23،24،25،26. أملاح غير قابلة للذوبان تمثل أعلى تركيزات من الأيونات المتاحة التي يمكن تخفيضها واستخدمت من قبل شياو وزملاؤه لإثبات تركيب أكاسيد معدنية 2-الأبعاد27,28. تمديد على مظاهرة من aerogels المعدنية النبيلة المسامية و المركبات من محلول الملح تركيز عالية، والاستفادة من كثافة عالية من الأيونات المتاحة من الأملاح غير قابلة للذوبان، استخدمنا أملاح ماغنوس ومشتقاتها كقوالب شكل لتجميع الأنابيب المعدنية النبيلة المسامية و macrobeams29،30،31،32.
ماغنوس’ أملاح تجميع من إضافة مقابل رسوم مربع بلاتيناري البلاتين [PtCl4]2- و [Pt(NH3)4]2 + 33. بطريقة مماثلة، تتشكل أملاح فوكلين من مزيج من أيونات البلاديوم المشحونة بالعكس، [PdCl4]2- و [Pd(NH3)4]2+ 34. مع تركيزات الملح السلائف من 100 mM، بلورات الملح الناتجة تشكل الإبر 10s إلى 100s من ميكرومتر طويل، مع عرض مربع ما يقرب من 100 نانومتر إلى 3 ميكرومتر. في حين أن القوالب الملحية هي تهمة محايدة، تختلف مشتقات الملح ماغنوس stoichiometry بين الأنواع الأيونية، لتشمل [Cu(NH3)4]2+، يسمح بالسيطرة على نسب المعادن المخفضة الناتجة. يؤدي الجمع بين الأيونات، واختيار عامل الحد من المواد الكيميائية، إما إلى الأنابيب الكبيرة أو وحدات الماكرو مع مقطع عرضي مربع وهندسة نانوية مسامية تتألف إما من الجسيمات النانوية المصهرة أو الألياف النانوية. كما تم الضغط على الأنابيب الماكروية وbeams في الأفلام الدائمة الحرة، وتم تحديد مساحة السطح النشطة كهروكيميائيا مع التحليل الطيفي لماء كهربائي كيميائي وقياس فولتمكوسي. تم استخدام نهج قالب الملح لتجميع الأنابيبالبلاتينية 29، البلاتين البلاديوم macrobeams31، وفي محاولة لخفض تكاليف المواد وتناغم النشاط الحفاز من خلال دمج النحاس ، النحاس البلاتين macrotubes32. كما تم عرض طريقة الـ salt-templating لـ Au-Pd و Au-Pd-Cu ثنائي و ternary metal macrotubes و nanofoams30.
هنا، نقدم طريقة لتجميع البلاتين، البلاتين البلاديوم، والنحاس البلاتين ثنائي المعدن الأنابيب الكبيرة المسامية و macrobeams من القوالب غير قابلة للذوبان ماغنوس ‘إبرة الملح29،31،32. التحكم في قياس الأيونات في قوالب إبرة الملح يوفر التحكم في نسب المعادن الناتجة بعد الحد الكيميائي ويمكن التحقق من الأشعة السينية diffractometry والأشعة السينية الطيف الضوئي. ويمكن تجميع الأنابيب macrotubes و macrobeams الناتجة وتشكيلها في فيلم قائم بذاته مع ضغط اليد. تعرض الأفلام الناتجة مناطق سطح نشطة كهروكيميائية عالية (ECSA) تتحدد بواسطة التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية وقياس فولتموميك دوري في H2SO4 و KCl المنحل بالكهرباء. توفر هذه الطريقة مسارًا توليفيًا للتحكم في التركيب المعدني القائم على البلاتين، وسهولة المسامية، والهياكل النانوية بطريقة سريعة وقابلة للتطوير قد تكون قابلة للتعميم على نطاق أوسع من قوالب الملح.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه الطريقة التوليف يدل على بسيطة، نهج سريع نسبيا لتحقيق ارتفاع في المساحة البلاتينية المستندة إلى الأنابيب macrotube و macrobeams مع بنية نانوية قابلة للتوابل ومكونات عنصري التي يمكن الضغط عليها في الأفلام القائمة بذاتها مع عدم وجود مواد ملزمة المطلوبة. استخدام مشتقات الملح ماغنوس كقوالب عالية ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من منحة من صندوق بحوث تطوير الكلية التابع للأكاديمية العسكرية للولايات المتحدة. ويعرب المؤلفان عن امتنانهما للمساعدة التي تقدم بها الدكتور كريستوفر هاينز في قيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأميركي. كما يود المؤلفان أن يشكرا الدكتور جوشوا ماورير على استخدام وزارة الشؤون المالية في مركز الأسلحة التابع للجيش الأمريكي في واترفلويت، نيويورك.
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).
