JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
화학

다공성 플래티넘 기반 매크로빔 및 매크로튜브용 염식 합성 방법

Published: May 18, 2020
doi:
10.3791/61395
, , , , , , , , , , , , , , , , ,
1Department of Chemistry and Life Science,United States Military Academy, 2Photonics Research Center,United States Military Academy, 3U.S. Army Combat Capabilities Development Command-Armaments Center, 4United States Army Research Laboratory-Sensors and Electron Devices Directorate, 5Department of Mathematical Sciences,United States Military Academy

Summary

불용성 염니들 템플릿의 화학적 감소를 통해 제곱 단면을 가진 다공성 백금 계 매크로튜브 및 매크로빔을 획득하는 합성 방법이 제시된다.

Abstract

고표면적 다공성 금속 나노 물질의 합성은 일반적으로 미리 형성된 나노 입자의 시간이 많이 소요되는 결합에 의존하고, 헹구고 초임계 건조 단계를 거쳐 기계적으로 깨지기 쉬운 물질을 초래합니다. 여기서, 불용성 염니천 템플릿으로부터 제곱 단면으로 나노구조화다공성 백금계 매크로튜브 및 매크로빔을 합성하는 방법이 제시된다. 반대로 충전된 백금, 팔라듐 및 구리 사각형 평면 이온의 조합은 불용성 염바늘의 급속한 형성을 초래합니다. 염템플릿에 존재하는 금속 이온의 금식성 비에 따라 화학적 환원제의 선택, 매크로튜브 또는 매크로빔은 융합된 나노입자 또는 나노피릴로 구성된 다공성 나노구조를 형성한다. x선 디프라토메트릭 및 X-ray 광전자 분광법으로 결정된 매크로튜브 및 매크로빔의 원소 조성물은 염식 템플릿에 존재하는 금속 이온의 금전적 비율에 의해 제어된다. 매크로튜브및 매크로빔은 독립형 필름으로 압착될 수 있으며, 전기화학적 활성 표면영역은 전기화학적 임피던스 분광기 및 순환 적 볼탐법으로 결정된다. 이 합성 방법은 필수 결합 물질없이 독립형 필름으로 압착 될 수있는 튜닝 가능한 나노 구조 및 원소 조성을 가진 고표면 적면 백금 기반 매크로 튜브 및 매크로 빔을 달성하기 위한 간단하고 비교적 빠른 접근 방식을 보여줍니다.

Introduction

연료전지1을포함한 촉매 적용을 위해 주로 높은 표면적, 다공성 백금 계재료를 얻기 위해 수많은 합성 방법이 개발되었다. 이러한 물질을 달성하기 위한 한 가지 전략은 구체, 큐브, 전선 및튜브2,3,4,5의형태로 단분산 나노 입자를 합성하는 것입니다. 이산 나노입자를 기능성 장치를 위한 다공성 구조에 통합하려면 폴리머 바인더 및 탄소 첨가제는 종종6,7이필요하다. 이 전략은 추가 처리 단계, 시간, 질량 별 성능 저하뿐만 아니라 확장 된 장치 사용 동안 나노 입자의 응집을 초래할 수있습니다 8. 또 다른 전략은 합성 된 나노 입자의 결합을 후속 초임계 건조9,10,11로금속 젤로 유도하는 것입니다. 고귀한 금속에 대한 솔겔 합성 접근법의 발전은 젤화 시간을 몇 주에서 시간 또는 분으로 단축시켰지만, 그 결과 모놀리스는 기계적으로 깨지기 쉬운장치(12)에서의실용적 사용을 방해하는 경향이 있다.

백금 합금 및 다중 금속 3차원 다공성 나노 구조는 촉매 특이성에 대한 튜닝성을 제공하며, 백금13,14의높은 비용 및 상대적 부족성을 해결한다. 백금 팔라듐15, 16및 백금 구리17,18,19 개의 개별 나노 구조뿐만 아니라 다른 합금 조합(20)에대한 수많은 보고가 있었지만 3 차원 백금 합금 및 다금속 구조용 솔루션 기반 기술을 달성하기위한 합성 전략이 거의 없었습니다.

최근에는 고농도 염용액의 사용과 금, 팔라듐 및 백금 금속 젤21,22를빠르게 산출하기 위해 환원제의 사용을 시연했습니다. 고농도 염용액 및 환원제는 젤라틴, 셀룰로오스 및 실크23,24,25,26을사용하여 바이오 폴리머 귀족 금속 복합재를 합성하는 데사용되었다. 불용성 염은 감소될 수 있는 가장 높은 농도의 이온을 나타내며 샤오와 동료들이 2차원 금속 산화물의 합성을 시연하기 위해 사용되었다27,28. 고농도 염액의 다공성 고귀 금속 에어로겔 및 복합체의 데모를 확장하고 불용성 염의 사용 가능한 이온의 고밀도를 활용하여, 우리는 다공성 고귀 금속 매크로튜브 및 매크로 빔29,30,31,32를합성하기 위해 마그너스의 염과 유도체를 형상 템플릿으로 사용했습니다.

매그너스의 염은 반대로 충전된 평방 플래너 백금 이온[PtCl4]2- 및 [Pt(NH3)4] 2+ 33의첨가로부터조립된다. 유사한 방식으로, Vauquelin의 소금은 반대로 충전된 팔라듐 이온의 조합으로부터 형성되며, [PdCl4]2- 및 [Pd(NH3)4]2 + 34. 전구체 염 농도가 100mM인 소금 결정은 10~100마이크로미터길이의 바늘을 형성하며, 평방 폭은 약 100nm에서 3μm까지입니다. 염식 템플릿은 중전소이지만, 이온 종 사이의 매그너스의 염분 유도체 스토이치오메트리를 변화시켜 [Cu(NH3)4]2+를포함시켜, 그 결과 감소된 금속 비율을 제어할 수 있다. 이온의 조합과 화학적 환원제의 선택은, 융합된 나노입자 또는 nanofibrils로 구성된 제곱 단면 및 다공성 나노 구조로 매크로튜브 또는 매크로빔을 초래합니다. 매크로튜브와 매크로빔도 독립형 필름으로 압착되었고, 전기화학적 활성 표면적은 전기화학적 임피던스 분광기 및 순환 볼탐법으로 결정되었다. 염템플릿 접근법은 플래티넘 매크로튜브29,백금 팔라듐매크로빔(31)을합성하고, 구리, 구리 백금매크로튜브(32)를통합하여 재료 비용을 절감하고 촉매 활성을 조정하는 데 사용되었다. 염분 압연 방법은 또한 Au-Pd 및 Au-Pd-Cu 바이너리 및 대동맥 금속 매크로튜브 및나노폼(30)에대해서도 입증되었다.

여기서는 불용성 매그너스의 염니들 템플릿29,31,32로부터백금, 백금 팔라듐, 구리 백금 이중 금속 다공성 매크로튜브 및 매크로빔을 합성하는 방법을 제시한다. 염니들 템플릿에서 이온 스토이치오메트리의 제어는 화학적 감소 후 결과 금속 비율을 제어하고 X선 디락토메트리 및 X-ray 광전자 분광법으로 확인할 수 있다. 생성된 매크로튜브와 매크로빔은 손압력을 가하는 독립형 필름으로 조립되어 형성될 수 있다. 생성된 필름은H2SO4 및 KCl 전해질에서 전기화학적 임피던스 분광및 순환 화산법에 의해 결정된 높은 전기화학적 활성 표면 영역(ECSA)을 나타낸다. 이 방법은 백금 기반 금속 조성물, 다공성 및 나노구조를 보다 광범위한 염식 템플릿으로 일반화할 수 있는 신속하고 확장 가능한 방식으로 제어하는 합성 경로를 제공한다.

Protocol

주의: 사용하기 전에 모든 관련 화학 안전 데이터 시트(SDS)를 참조하십시오. 화학 반응을 수행 할 때 적절한 안전 관행을 사용하여 연기 후드 와 개인 보호 장비의 사용을 포함하십시오. 전기 화학 적 감소 시 급속한 수소 가스 진화는 반응 튜브에서 고압을 유발하여 캡이 튀어 나와 용액을 분사시킬 수 있습니다. 프로토콜에 지정된 대로 반응 튜브 캡이 열려 있는지 확인합니다. 연기 후드의 모든 ?…

Representative Results

반대로 충전 된 평방 평면 고귀한 금속 이온의 첨가는 높은 종횡비 염결정의 거의 즉각적인 형성을 초래한다. 제곱평면 이온의 선형 적층은 도 1에서괄약하게 표시되며, 편광 광학 현미경 이미지는 10~100의 마이크로미터 길이의 염바늘을 드러냅니다. 모든 백금, 팔라듐 및 구리 염용액에 100mMM의 농도가 사용되었습니다. 염자 바늘 템플릿은 총 양이온 및 음이온 전하가 동일하…

Discussion

이 합성 방법은 필수 결합 물질없이 독립형 필름으로 압착 될 수있는 튜닝 가능한 나노 구조 및 원소 조성을 가진 고표면 적면 백금 기반 매크로 튜브 및 매크로 빔을 달성하기 위한 간단하고 비교적 빠른 접근 방식을 보여줍니다. 매그너스의 염분피 유도체를 높은 종횡비 바늘 형상 템플릿으로 사용하는 것은 염식템플릿 스토이치오메트리를 통해 결과금속 조성물을 제어하는 수단을 제공하며, ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작품은 미국 육군 아카데미 교수 개발 연구 기금 보조금에 의해 지원되었다. 저자는 미 육군 전투 능력 개발 사령부의 크리스토퍼 헤인즈 박사의 도움에 감사드립니다. 저자는 또한 뉴욕 워터블리엣에 있는 미 육군 CCDC-Armaments 센터에서 FIB-SEM을 사용한 조슈아 마우러 박사에게 감사를 표하고 싶습니다.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chen, A., Holt-Hindle, P. Platinum-Based Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Applications. Chemical Reviews. 110 (6), 3767-3804 (2010).
  2. Narayanan, R., El-Sayed, M. A. Shape-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanoparticles in Colloidal Solution. Nano Letters. 4 (7), 1343-1348 (2004).
  3. 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).
  4. Song, Y., et al. Synthesis of Platinum Nanowire Networks Using a Soft Template. Nano Letters. 7 (12), 3650-3655 (2007).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Wei, L., et al. Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 52 (37), 9849-9852 (2013).
  10. Liu, W., et al. Noble Metal Aerogels-Synthesis, Characterization, and Application as Electrocatalysts. Accounts of Chemical Research. 48 (2), 154-162 (2015).
  11. Naskar, S., et al. Porous Aerogels from Shape-Controlled Metal Nanoparticles Directly from Nonpolar Colloidal Solution. Chemistry of Materials. 29 (21), 9208-9217 (2017).
  12. Du, R., et al. Emerging Noble Metal Aerogels: State of the Art and a Look Forward. Matter. 1 (1), 39-56 (2019).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Lim, B., et al. Twin-Induced Growth of Palladium–Platinum Alloy Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 48 (34), 6304-6308 (2009).
  16. Lim, B., et al. Pd-Pt Bimetallic Nanodendrites with High Activity for Oxygen Reduction. Science. 324 (5932), 1302-1305 (2009).
  17. 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).
  18. Xu, C., et al. Nanotubular Mesoporous PdCu Bimetallic Electrocatalysts toward Oxygen Reduction Reaction. Chemistry of Materials. 21 (14), 3110-3116 (2009).
  19. 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).
  20. Stamenkovic, V. R., et al. Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability. Science. 315 (5811), 493-497 (2007).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Burpo, F. J., Mitropoulos, A. N., Nagelli, E. A., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. Gelatin biotemplated platinum aerogels. MRS Advances. , 1-6 (2018).
  24. Burpo, F., et al. Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Molecules. 23 (6), 1405 (2018).
  25. Burpo, F. J., et al. Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Journal of Visualized Experiments. (147), e59176 (2019).
  26. Mitropoulos, A. N., et al. Metal Composite Porous Silk Fibroin Aerogel Fibers. Materials. 12 (6), 894 (2019).
  27. Xiao, X., et al. Salt-Templated Synthesis of 2D Metallic MoN and Other Nitrides. ACS Nano. 11 (2), 2180-2186 (2017).
  28. Xiao, X., et al. Scalable salt-templated synthesis of two-dimensional transition metal oxides. Nature Communications. 7, 11296 (2016).
  29. Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Hierarchically Porous Platinum Macrotube Synthesis. Chemistry Select. 3 (16), 4542-4546 (2018).
  30. 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).
  31. Burpo, F. J., et al. Salt-templated platinum-palladium porous macrobeam synthesis. MRS Communications. 9 (1), 280-287 (2019).
  32. Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Platinum-Copper Porous Macrobeams for Ethanol Oxidation. Catalysts. 9 (8), 662 (2019).
  33. Magnus, G. Ueber einige Verbindungen des Platinchlorürs. Annalen der Physik. 90 (10), 239-242 (1828).
  34. Vauquelin, N. L. Memoire sur le Palladium et le Rhodium. Annales de Chimie. 88, 167-198 (1813).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Caseri, W. Derivatives of Magnus’ Green Salt. Platinum Metals Review. 48 (3), 91 (2004).

Tags

PlatinumMacrobeamsMacrotubesSalt-templated SynthesisMagnus SaltsPlatinum-palladium AlloyCopper-platinum AlloyHigh Aspect RatioHigh Surface AreaCatalysisSensing Applications

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Burpo, F. J., Losch, A. R., Nagelli, E. A., Winter, S. J., Bartolucci, S. F., McClure, J. P., Baker, D. R., Bui, J. K., Burns, A. R., O’Brien, S. F., Forcherio, G. T., Aikin, B. R., Healy, K. M., Remondelli, M. H., Mitropoulos, A. N., Richardson, L., Wickiser, J. K., Chu, D. D. A Salt-Templated Synthesis Method for Porous Platinum-based Macrobeams and Macrotubes. J. Vis. Exp. (159), e61395, doi:10.3791/61395 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image