طريقة التوليف للسليلوز نانوفيبر Biotemplated البلاديوم مركب Aerogels
Summary
يتم تقديم طريقة توليف للسليلوز nanofiber biotemplated البلاديوم مركب aerogels. توفر مواد aerogel المركبة الناتجة إمكانية الحفز والاستشعار وتطبيقات تخزين غاز الهيدروجين.
Abstract
هنا، يتم تقديم طريقة لتجميع السليلوز نانوفيبر biotemplated البلاديوم مركب aerogels. الطرق التوليفية aerogel المعدنية النبيلة غالبا ما تؤدي إلى aerogels الهشة مع ضعف السيطرة على الشكل. استخدام الألياف النانوية السليلوز كاربوكسيميثيلاتد (CNFs) لتشكيل هيدروجيل المستعبدين بشكل مشترك يسمح للحد من الأيونات المعدنية مثل البلاديوم على CNFs مع السيطرة على كل من البنية النانوية والشكل المونوجيل العياني العياني بعد الحرجة تجفيف. يتم تحقيق الربط بين ألياف النانو السليلوز كاربوكسيميثيلاتيد باستخدام 1-إيثيل-3-(3-ثنائي ميثيل أمينوبروبيل) كاربوديميد هيدروكلوريد (EDC) في وجود إيثيلينديامين. تحافظ الهيدروجيلات CNF على شكلها في جميع مراحل التوليف بما في ذلك الربط المتبادل التساهمي، والمساواة مع أيونات السلائف، والحد من المعادن مع عامل تقليل التركيز العالي، والتجفيف في الماء، وتبادل المذيبات الإيثانول، وCO2 التجفيف فوق الحرجة. يسمح تغيير تركيز أيون البلاديوم السلاد بالسلائف بالتحكم في المحتوى المعدني في مركب aerogel النهائي من خلال تقليل كيميائي أيوني مباشر بدلاً من الاعتماد على الدمج البطيء نسبياً للجسيمات النانوية المركبة مسبقاً المستخدمة في غيرها من المواد النانوية تقنيات سول جل. مع نشر كأساس لإدخال وإزالة الأنواع الكيميائية داخل وخارج هيدروجيل، وهذا الأسلوب هو مناسبة للهندسة الجيولوجية السائبة أصغر والأفلام رقيقة. توصيف الأيوجيلات المركبة من الألياف النانوية – البلاديوم السليلوز مع الفحص المجهري للإلكترون المسح الضوئي، قياس عدم الترامتر، تحليل الجاذبية الحرارية، امتصاص غاز النيتروجين، مطياف المعاوقة الكهروكيميائية، وقياس فولتامتري دوري يشير إلى مساحة عالية، ملمع شاحب بنية مسامية.
Introduction
Aerogels، ذكرت لأول مرة من قبل Kistler، وتقديم أوامر هياكلمسامية من حجم أقل كثافة من نظرائهم المواد السائبة 1،2،3. وقد اجتذبت aerogels المعادن النبيلة الاهتمام العلمي لإمكاناتها في الطاقة والطاقة، والحفاز، وتطبيقات الاستشعار. وقد تم مؤخرا توليف aerogels المعادن النبيلة من خلال استراتيجيتين أساسيتين. استراتيجية واحدة هي للحث على التآلفمن الجسيمات النانوية قبل تشكيلها 4،5،6،7. سول جل التآلف من الجسيمات النانوية يمكن أن تكون مدفوعة جزيئات الرابط، والتغيرات فيقوة المحلول الأيوني، أو بسيطة نانوجسيم سطح سطح الحرة الطاقة التقليل 7،8،9. والاستراتيجية الأخرى هي تشكيل aerogels في خطوةواحدة الحد من حلول السلائف المعدنية 9،10،11،12،13. وقد استخدم هذا النهج أيضا لتشكيل ثنائي المعادن وسبائك aerogels المعدنية النبيلة. الاستراتيجية الأولى بطيئة عموما، وقد تتطلب ما يصل إلى أسابيع عديدة لتجمع الجسيمات النانوية14. نهج التخفيض المباشر، في حين أن عموما أكثر سرعة، يعاني من ضعف السيطرة على شكل على متجانسة aerogel العيانية.
أحد النهج التوليفي الممكنة لمواجهة التحديات مع السيطرة على شكل العيانية aerogel المعدنية النبيلة وnanostructure هو استخدام biotemplating15. يستخدم Biotemplating جزيئات بيولوجية تتراوح بين الكولاجين، الجيلاتين، الحمض النووي، الفيروسات، إلى السليلوز لتوفير قالب توجيه الشكل لتركيب الهياكل النانوية، حيث تفترض الهياكل النانوية المعدنية الناتجة هندسة [ تال16,17 ] الألياف النانوية السليلوز جذابة كقالب حيوي نظرا لوفرة طبيعية عالية من المواد الخلوية، وارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع الهندسة الخطية، والقدرة على وظيفية كيميائيا مونومرات الجلوكوز18،19، 20،21،22،23. وقد استخدمت الألياف النانوية السليلوز (CNF) لتجميع ثلاثة الأبعاد TiO2 nanowire للفوتونودس24،أسلاك نانوية فضية للإلكترونيات ورقة شفافة25،والمركبات aerogel البلاديوم للحفز26 . وعلاوة على ذلك، تم استخدام الألياف النانوية السليلوز المؤكسدة TEMPO على حد سواء كقالب حيوي والحد من عامل في إعداد البلاديوم مزينة CNF aerogels27.
هنا، يتم تقديم طريقة لتجميع السليلوز nanofiber biotemplated البلاديوم مركب aerogels26. يحدث aerogels الهشة مع ضعف السيطرة على الشكل لمجموعة النبيلة المعدنية aerogel أساليب التوليف. كاربوكسيميثيلاتد الألياف النانوية السليلوز (CNFs) المستخدمة لتشكيل هيدروجيل covalent تسمح للحد من الأيونات المعدنية مثل البلاديوم على CNFs توفير السيطرة على كل من البنية النانوية والشكل المونوجيل العياني العياني بعد التجفيف فوق الحرج. يتم تحقيق كاربوكسيميثيلاتيد السليلوز نانوفيبر crosslinking باستخدام 1-إيثيل-3-(3-ثنائي ميثيل أمينوبروبيل) هيدروكلوريد كاربوديميد (EDC) في وجود إيثيلينديامين كجزيء الرابط بين CNFs. تحافظ الهيدروجيلات CNF على شكلها في جميع مراحل التوليف بما في ذلك الربط المتبادل التساهمي، والمساواة مع أيونات السلائف، والحد من المعادن مع عامل تقليل التركيز العالي، والتجفيف في الماء، وتبادل المذيبات الإيثانول، وCO2 التجفيف فوق الحرجة. يسمح تباين تركيز أيون السلائف بالتحكم في المحتوى المعدني النهائي من أيوجيل من خلال تقليل الأيون المباشر بدلاً من الاعتماد على الدمج البطيء نسبياً للجسيمات النانوية المُشكَّلة مسبقاً المستخدمة في أساليب سول جل. مع نشر كأساس لإدخال وإزالة الأنواع الكيميائية داخل وخارج هيدروجيل، وهذا الأسلوب هو مناسبة للهندسة الجيولوجية السائبة أصغر والأفلام رقيقة. توصيف الأيوجيلات المركبة من الألياف النانوية – البلاديوم السليلوز مع الفحص المجهري للإلكترون المسح الضوئي، قياس عدم الترامتر، تحليل الجاذبية الحرارية، امتصاص غاز النيتروجين، مطياف المعاوقة الكهروكيميائية، وقياس فولتامتري دوري يشير إلى مساحة عالية، ومعدنة الهيكل المسامية البلاديوم.
Protocol
Representative Results
Discussion
النبيلة المعدنية السليلوز nanofiber biotemplated طريقة توليف aerogel المعروضة هنا النتائج في مركبات aerogel مستقرة مع تكوين المعادن القابلة للضبط. الربط المتبادل بين الألياف النانوية السليلوز المضغوط بعد الطرد المركزي يؤدي إلى هيدروجيلات التي هي دائمة ميكانيكيا خلال خطوات التوليف اللاحقة من توازن أيون …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشعر المؤلفون بالامتنان للدكتور ستيفن بارتولوتشي والدكتور جوشوا ماورير في مختبرات بينيت التابعة للجيش الأميركي لاستخدام مجهرهم الإلكتروني المسح الضوئي. وقد دعم هذا العمل بمنحة من صندوق بحوث تطوير أعضاء هيئة التدريس من الأكاديمية العسكرية للولايات المتحدة، ويست بوينت.
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).
