Syntesemetode for cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium komposit Aerogels
Summary
En syntesemetode for cellulose af biotemplated Palladium komposit aerogeler præsenteres. De resulterende komposit aerogel materialer giver potentiale for katalyse, sensing, og hydrogen gas opbevaring applikationer.
Abstract
Her, en metode til at syntetisere cellulose af biotemplated Palladium komposit aerogeler præsenteres. Ædelmetal aerogel syntesemetoder ofte resultere i skrøbelige aerogeler med dårlig form kontrol. Brugen af carboxymethylated cellulose nanofibre (Cnf’er) til dannelse af en kovalent bundet hydrogel giver mulighed for reduktion af metalioner såsom Palladium på CNFs med kontrol over både nanostruktur og makroskopisk aerogel monolit form efter superkritiske Tørring. Crosslinking carboxymethylerede cellulose nanofibre opnås ved hjælp af 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochlorid (EDC) i nærværelse af ethylenediamin. CNF silicagelrogeler opretholder deres form gennem syntese trin, herunder kovalent crosslinking, ækvilibrering med prækursoroner, metal reduktion med højt koncentrations reduktionsmiddel, skylning i vand, ethanol solvent Exchange og co2 superkritisk tørring. Varierende prækursor Palladium ionkoncentrationen giver mulighed for kontrol over metalindholdet i den endelige aerogel komposit gennem en direkte ion kemisk reduktion i stedet for at påberåbe sig den relativt langsomme sammensmeltning af præ-formede nanopartikler, der anvendes i andre Sol-gel-teknikker. Med diffusion som grundlag for at introducere og fjerne kemiske arter ind og ud af hydrogel, denne metode er egnet til mindre bulk geometrier og tynde film. Karakterisering af cellulose Nanofiber-Palladium komposit aerogeler med scanning elektronmikroskopi, røntgen diffractometri, termisk gravimetrisk analyse, nitrogen gas adsorption, elektrokemisk impedans spektroskopi, og cyklisk voltammetri indikerer et højt overfladeareal, metalliseret Palladium porøs struktur.
Introduction
Aerogels, først rapporteret af Kistler, tilbyder porøse strukturer størrelsesordener mindre tætte end deres bulk materiale modparter1,2,3. Ædle metal aerogeler har tiltrukket videnskabelig interesse for deres potentiale i kraft og energi, katalytiske og sensor applikationer. Ædelmetal aerogeler er for nylig blevet syntetiseret via to grundlæggende strategier. En af disse strategier er at fremkalde en formalisering af præ-dannede nanopartikler4,5,6,7. Sol-gel-kultiescens af nanopartikler kan drives af linker molekyler, ændringer i opløsningen ionisk styrke, eller enkel nanopartikel overflade gratis energi minimering7,8,9. Den anden strategi er at danne aerogeler i et enkelt reduktions trin fra metal forstadie løsninger9,10,11,12,13. Denne fremgangsmåde er også blevet brugt til at danne bimetallisk og legeret ædelmetal aerogels. Den første strategi er generelt langsom og kan kræve op til mange uger for nanopartikel-kulescens14. Den direkte reduktionsmetode, mens den generelt er hurtigere, lider under dårlig form kontrol over den makroskopiske aerogel monolit.
En mulig syntese tilgang til at tackle udfordringer med kontrol af ædelmetal aerogel macroskopisk form og nanostruktur er at ansætte biotemplating15. Biotemplating bruger biologiske molekyler, der spænder fra kollagen, gelatine, DNA, vira, til cellulose for at give en form-Instruerende skabelon til syntesen af nanostrukturer, hvor de resulterende metal-baserede nanostrukturer antager geometrien af biologisk skabelon molekyle16,17. Cellulose nanofibre er tiltalende som en biotemplate givet den høje naturlige overflod af celluloseholdige materialer, deres høje aspekt ratio lineær geometri, og evne til at kemisk funktionalisere deres glukose monomerer18,19, 20,21,22,23. Cellulose nanofibre (CNF) er blevet brugt til at syntetisere tredimensionale TiO2 nanoledninger til photoanodes24, sølv nanoledninger til transparent papir elektronik25, og Palladium aerogel kompositter til katalyse26 . Yderligere, tempo-oxideret cellulose nanofibre har været brugt både som en biotemplate og reduktionsmiddel i forberedelsen af Palladium dekoreret CNF aerogeler27.
Her, en metode til at syntetisere cellulose af biotemplated Palladium komposit aerogeler er præsenteret26. Skrøbelige aerogeler med dårlig form kontrol forekommer for en række ædle metal aerogel syntesemetoder. Carboxymethylated cellulose nanofibre (CNFs) bruges til at danne en kovalent hydrogel giver mulighed for reduktion af metalioner såsom Palladium på CNFs giver kontrol over både nanostruktur og makroskopisk aerogel monolit form efter superkritisk tørring. Carboxymethyleret cellulose af binding opnås ved hjælp af 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochlorid (EDC) i nærværelse af ethylenediamin som en linker molekyle mellem cnfs. CNF silicagelrogeler bevarer deres form gennem de sammenfattende trin, herunder kovalent crosslinking, ækvilibrering med prækursoroner, metal reduktion med højt koncentrations reduktionsmiddel, skylning i vand, ethanol solvent Exchange og co2 superkritisk tørring. Varianten ionkoncentration variation giver mulighed for kontrol over det endelige aerogel metalindhold gennem en direkte ion reduktion i stedet for at påberåbe sig den relativt langsomme sammensmeltning af præ-formede nanopartikler anvendes i sol-gel metoder. Med diffusion som grundlag for at introducere og fjerne kemiske arter ind og ud af hydrogel, denne metode er egnet til mindre bulk geometrier og tynde film. Karakterisering af cellulose Nanofiber-Palladium komposit aerogeler med scanning elektronmikroskopi, røntgen diffractometri, termisk gravimetrisk analyse, nitrogen gas adsorption, elektrokemisk impedans spektroskopi, og cyklisk voltammetri indikerer et højt overfladeareal, metaliseret Palladium porøs struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den ædle metal cellulose af biotemplated aerogel syntesemetode præsenteret her resulterer i stabile aerogel kompositter med tunable metal sammensætning. Den kovalente tværbinding af de komprimerede cellulose nanofibre efter centrifugering resulterer i silicagelrogeler, der er mekanisk holdbare under de efterfølgende syntese trin af Palladium ionækvibration, elektrokemisk reduktion, skylning, solvens udveksling og superkritisk tørring. Hydrogel stabiliteten er afgørende under det elektrokemiske reduktions trin i b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelig for Dr. Stephen Bartolucci og Dr. Joshua Maurer på U.S. Army benet laboratorier for brugen af deres scanning elektronmikroskop. Dette arbejde blev støttet af en Fakultets udviklings forskningsfond Grant fra West Point, USA Military Academy.
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).
