セルロースナノファイバーバイオテンプレートパラジウム複合エアロゲルの合成法
Summary
セルロースナノファイバーバイオテンプレートパラジウム複合エアロゲルの合成方法を提示する。得られた複合エアロゲル材料は、触媒、センシング、水素ガス貯蔵アプリケーションの可能性を提供します。
Abstract
ここで、セルロースナノファイバーバイオテンプレートパラジウム複合エアロゲルを合成する方法が提示される。貴金属エアロゲル合成法は、多くの場合、形状制御が不十分な壊れやすいエアロゲルをもたらす。カルボキシメチル化セルロースナノファイバー(CNF)を使用して共有結合ヒドロゲルを形成することにより、超臨界後のナノ構造と巨大なエアロゲルモノリス形状の両方を制御するCNF上のパラジウムなどの金属イオンの還元を可能にします。乾燥。カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの架橋は、エチレンジアミドミンの存在下で1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジミド塩酸塩(EDC)を用いて達成される。CNFヒドロゲルは、共有架橋、前駆体イオンとの平衡化、高濃度還元剤による金属還元、水中でのリンス、エタノール溶媒交換、CO2などの合成工程を通じてその形状を維持します。超臨界乾燥。前駆体パラジウムイオン濃度を変化させることで、他のナノ粒子の比較的遅い合体に頼るのではなく、直接イオン化学的還元を通じて最終的なエアロゲル複合材料の金属含有量を制御することができます。ソルゲル技術。ヒドロゲルに化学種を導入および除去するための基礎として拡散を行い、この方法は、より小さなバルク幾何学および薄膜に適しています。走査電子顕微鏡、X線回折測定、熱重力分析、窒素ガス吸着、電気化学インピーダンス分光法、環状ボルタンメトリーによるセルロースナノファイバーパラジウム複合エアロゲルの特性解析高い表面積、メタライズされたパラジウム多孔質構造を示します。
Introduction
最初にキスラーによって報告されたエアロゲルは、バルク材料に対応する1、2、3よりも密度が低い多孔質構造を提供します。貴金属エアロゲルは、電力とエネルギー、触媒、センサーアプリケーションの可能性に対する科学的関心を集めています。貴金属エアロゲルは最近、2つの基本的な戦略を通じて合成されています。1つの戦略は、予形成されたナノ粒子4、5、6、7の合体を誘導することである。ナノ粒子のソルゲル合体は、リンカー分子、溶液イオン強度の変化、または単純なナノ粒子表面自由エネルギー最小化7、8、9によって駆動することができる。もう一つの戦略は、金属前駆体溶液9、10、11、12、13からの単一の還元ステップでエアロゲルを形成することです。このアプローチはまた、バイメタルと合金の貴金属エアロゲルを形成するために使用されています。最初の戦略は一般的に遅く、ナノ粒子合体14のために数週間まで必要な場合があります。直接的な還元アプローチは、一般的により迅速であるが、マクロスコピックエアロゲルモノリスに対する形状制御が不十分である。
貴金属エアロゲルマクロ形状およびナノ構造の制御に関する課題に対処するための1つの可能な合成アプローチは、バイオテンピング15を採用することです。バイオテンプラティングは、コラーゲン、ゼラチン、DNA、ウイルス、セルロースに至るまでの生体分子を使用して、ナノ構造の合成のための形状方向テンプレートを提供し、そこで得られる金属ベースのナノ構造体は、その幾何学を仮定する生体テンプレート分子16、17.セルロースナノファイバーは、セルロース材料の高い自然な豊富さ、その高いアスペクト比線形形状、およびグルコースモノマー18、19を化学的に機能化する能力を与えられたバイオテンプレートとして魅力的です。 20,21,22,23.セルロースナノファイバー(CNF)は、フォトアノード24用の3次元TiO2ナノワイヤ、透明紙エレクトロニクス用銀ナノワイヤ25、触媒用パラジウムエアロゲル複合材料の合成に使用されています。 .また、TEMPO-酸化セルロースナノファイバーは、パラジウム装飾CNFエアロゲル27の調製においてバイオテンプレートおよび還元剤の両方として使用されている。
ここで、セルロースナノファイバーバイオテンプレートパラジウム複合エアロゲルを合成する方法が26例示される。形状制御が不十分な壊れやすいエアロゲルは、範囲の貴金属エアロゲル合成方法のために生じる。共有ヒドロゲルを形成するために使用されるカルボキシメチル化セルロースナノファイバー(CNF)は、超臨界乾燥後のナノ構造とマクロスコピックエアロゲルモノリス形状の両方を制御するCNF上のパラジウムなどの金属イオンの還元を可能にする。カルボキシメチル化セルロースナノファイバー架橋は、CNF間のリンカー分子としてエチレンジアミドミンの存在下で1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジミド塩酸塩(EDC)を用いて達成される。CNFヒドロゲルは、共有架橋、前駆体イオンとの平衡化、高濃度還元剤による金属還元、水中でのリンス、エタノール溶媒交換、CO2を含む合成工程を通じてその形状を維持する。超臨界乾燥。前駆体イオン濃度変動は、ソルゲル法で使用される前形成ナノ粒子の比較的遅い合体に頼るのではなく、直接イオン還元を通じて最終的なエアロゲル金属含有量を制御することを可能にする。ヒドロゲルに化学種を導入および除去するための基礎として拡散を行い、この方法は、より小さなバルク幾何学および薄膜に適しています。走査電子顕微鏡、X線回折測定、熱重力分析、窒素ガス吸着、電気化学インピーダンス分光法、環状ボルタンメトリーによるセルロースナノファイバーパラジウム複合エアロゲルの特性解析高い表面積、金属化されたパラジウム多孔質構造を示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで提示される貴金属セルロースナノファイバーバイオテンプレートエアロゲル合成法は、曲調性金属組成を有する安定したエアロゲル複合材料をもたらす。遠心分離後の圧縮されたセルロースナノファイバーの共有架橋は、パラジウムイオン平衡、電気化学的還元、すすり、溶媒のその後の合成ステップの間に機械的に耐久性のあるヒドロゲルをもたらす交換し、超臨界乾燥。ヒドロゲ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、スティーブン・バルトルッチ博士と米陸軍ベネット研究所のジョシュア・マウラー博士に、走査型電子顕微鏡の使用に感謝しています。この研究は、米国軍事アカデミー、ウエストポイントからの教員開発研究基金の助成金によって支援されました。
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 |
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