En Salt-Malld Syntes metod för Porous Platinum-baserade makrobes och Macrotubes
Summary
En syntes metod för att erhålla porösa platina-baserade makrorör och makrobössor med ett kvadratiskt tvärsnitt genom kemisk minskning av olösliga salt-nål mallar presenteras.
Abstract
Syntesen av hög yta porösa ädla metall nanomaterial förlitar sig i allmänhet på tidskrävande kolescence av pre-bildade nanopartiklar, följt av sköljning och superkritiska torksteg, ofta resulterar i mekaniskt ömtåliga material. Här presenteras en metod för att syntetisera nanostrukturerade porösa platinabaserade makrorör och makrobössor med ett kvadratiskt tvärsnitt från olösliga saltnålsmallar. Kombinationen av motsatt laddade platina, palladium och koppar kvadrat planar joner resulterar i den snabba bildandet av olösliga salt nålar. Beroende på det stökiometriska förhållandet mellan metalljoner som finns i saltmallen och valet av kemiskt reduktionsmedel bildas antingen makrorör eller makrobeams med en porös nanostruktur som består av antingen sammansmälta nanopartiklar eller nanofibriller. Elementär sammansättning av makrorören och makrobestrålar, bestäms med röntgen diffractometry och röntgenfotoelektronspektroskopi, styrs av det stökiometriska förhållandet av metalljoner som finns i salt-mallen. Makrorör och makrobeams får pressas in i fristående filmer, och den elektrokemiskt aktiva ytan bestäms med elektrokemisk impedansspektroskopi och cyklisk voltametri. Denna syntesmetod visar på en enkel, relativt snabb metod för att uppnå platinabaserade makrorör och makrobötor med avstämbara nanostrukturer och elementära sammansättning som får pressas in i fristående filmer utan erforderliga bindande material.
Introduction
Ett flertal syntesmetoder har utvecklats för att erhålla hög yta, porösa platinabaserade material främst för katalysapplikationer inklusive bränsleceller1. En strategi för att uppnå sådana material är att syntetisera monodisperse nanopartiklar i form av sfärer, kuber, ledningar, ochrör 2,3,4,5. För att integrera de diskreta nanopartiklarna i en porös struktur för en funktionell anordning krävs ofta polymera bindemedel och koltillsatser6,7. Denna strategi kräver extra bearbetning steg, tid, och kan leda till en minskning av massa specifika prestanda, samt gytter av nanopartiklar under utökad enhet användning8. En annan strategi är att driva sammans med syntetiserade nanopartiklar till en metallgel med efterföljande superkritisk torkning9,10,11. Medan framsteg i sol-gel syntes strategi för ädla metaller har minskat gelation tid från veckor till så snabbt som timmar eller minuter, den resulterande monoliter tenderar att vara mekaniskt bräckligt impeding deras praktiska användning i enheter12.
Platina-legering och multi-metalliska 3-dimensionella porösa nanostrukturer erbjuder tunability för katalytisk specificitet, samt ta itu med den höga kostnaden och relativa knapphet av platina13,14. Medan det har förekommit ett flertal rapporter om platina-palladium15,16 och platina-koppar17,18,19 diskreta nanostrukturer, liksom andra legering kombinationer20, det har varit få syntes strategier för att uppnå en lösning-baserad teknik för 3-dimensionell platinalegering och multi-metalliska strukturer.
Nyligen visade vi användningen av hög koncentration salt lösningar och reduktionsmedel för att snabbt ge guld, palladium, och platina metall geler21,22. Den höga koncentrationen salt lösningar och reduktionsmedel användes också i syntetiserande biopolymer ädelmetall kompositer med hjälp av gelatin, cellulosa, ochsilke 23,24,25,26. Olösliga salter representerar de högsta koncentrationerna av joner som finns tillgängliga för att minskas och användes av Xiao och kollegor för att visa syntesen av 2-dimensionellametalloxider 27,28. Utvidga på demonstrationen av porösa ädla metall aerogels och kompositer från hög koncentration saltlösningar, och utnyttja den höga tätheten av tillgängliga joner av olösliga salter, vi använde Magnus’ salter och derivat som form mallar för att syntetisera porösa ädla metall macrotubes och makrobegår29,30,31,32.
Magnus’ salter montera från tillsats av motsatt laddade kvadrat planar platina joner [PtCl4]2- och [Pt(NH3)4]2 + 33. På ett liknande sätt bildar Vauquelins salter från kombinationen av motsatt laddade palladiumjoner, [PdCl4]2- och [Pd(NH3)4]2+ 34. Med prekursorsaltkoncentrationer på 100 mM bildar de resulterande saltkristallerna nålar 10s till 100s av mikrometer lång, med kvadratbredder cirka 100 nm till 3 μm. Medan salt-mallar är avgiftsneutrala, varierande Magnus’ saltderivat stökiometri mellan jonarter, att inkludera [Cu(NH3)4]2 +, tillåter kontroll över den resulterande reducerade metall nyckeltal. Kombinationen av joner, och valet av kemiskt reduktionsmedel, resulterar i antingen makrorör eller makrobeams med ett fyrkantigt tvärsnitt och en porös nanostruktur bestående av antingen smält nanopartiklar eller nanofibriller. Makrorör och makrobeams pressades också in i fristående filmer, och elektrokemiskt aktiva yta fastställdes med elektrokemiska impedansspektroskopi och cykliska voltammetri. Salt-mall tillvägagångssätt användes för att syntetisera platina makrorör29, platina-palladium makrobeams31, och i ett försök att sänka materialkostnader och tune katalytisk verksamhet genom att införliva koppar, koppar-platina makrorör32. Salt-templating metoden visades också för Au-Pd och Au-Pd-Cu binära och ternary metall makrorör och nanofoams30.
Här presenterar vi en metod för att syntetisera platina, platina-palladium, och koppar-platina bi-metalliska porösa makrorör och makrobeams från olösliga Magnus’ salt nål mallar29,31,32. Kontroll av jonen stökiometri i salt nål mallar ger kontroll över resulterande metall nyckeltal efter kemisk minskning och kan verifieras med röntgen diffractoetry och röntgenfotoelektronspektroskopi. De resulterande makrorören och makrobårarna får sättas ihop och formas till en fristående film med handtryck. De resulterande filmerna uppvisar hög elektrokemiskt aktiva yta områden (ECSA) bestäms av elektrokemiska impedans spektroskopi och cykliska voltametri i H2SO4 och KCl elektrolyt. Denna metod ger en syntesväg för att styra platinabaserad metallsammansättning, porositet och nanostruktur på ett snabbt och skalbart sätt som kan vara generaliserbart för ett bredare utbud av saltmallar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna syntesmetod visar på en enkel, relativt snabb metod för att uppnå platinabaserade makrorör och makrobötor med avstämbara nanostrukturer och elementära sammansättning som får pressas in i fristående filmer utan erforderliga bindande material. Användningen av Magnus saltderivat som hög bildförhållande nål formade mallar ger medel för att styra resulterande metall sammansättning genom salt-mall stökiometri, och när de kombineras med val av reduktionsmedel, kontroll över nanostrukturen i makroröret…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete finansierades av en USA: s militära akademi fakulteten Development Research Fund bidrag. Författarna är tacksamma för hjälp av Dr Christopher Haines vid US Army Combat Capabilities Development Command. Författarna vill också tacka Dr Joshua Maurer för användningen av FIB-SEM vid us Army CCDC-Armaments Center på Watervliet, New York.
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).
