Selüloz nanofiber Biotemkaplama Palladium kompozit Aerogels için sentez yöntemi
Summary
Selüloz nanolber biotemkaplama Palladium kompozit Aerogels için bir sentez yöntemi sunulmaktadır. Elde edilen kompozit Aerogel malzemeleri kataliz, algılama ve hidrojen gazı depolama uygulamaları için potansiyel sunar.
Abstract
Burada, bir yöntem selüloz nanolifi biotemkaplama Paladyum kompozit Aerogels sentezlemek için sunulmaktadır. Noble metal Aerogel sentezi yöntemleri genellikle zayıf şekil kontrolü ile kırılgan Aerogels neden. Carboxymethylated selüloz nanofibers kullanımı (cnfs) bir kovalent gümrüklü hidrojel oluşturmak için, süperkritik sonra hem nano ve makroskopik Aerogel Monolit şekli üzerinde kontrol ile cnfs üzerinde Paladyum gibi metal iyonlarının azaltılması için izin verir Kurutma. Karbokymethylated selüloz nanofibers Crosslinking 1-etil-3-(3-dimethylaminopropyl) kullanılarak elde edilir etylenediamin varlığında% kardiimid hidroklorür (EDC). CNF hidrogeller, kovalent Crosslinking, ön-denge iyonlarıyla Dengeleme, yüksek konsantrasyon azaltma maddesi ile metal azaltma, su içinde durulama, etanol solvent değişimi ve CO2 gibi sentez adımları boyunca şeklini korur. Süper kritik kurutma. Öncü Paladyum iyon konsantrasyonu değişen diğer kullanılan önceden oluşturulmuş Nanopartiküllerin nispeten yavaş coalescence güvenmek yerine bir doğrudan iyon kimyasal azaltma aracılığıyla final Aerogel kompozit metal içeriği üzerinde kontrol sağlar Sol-jel teknikleri. Hidrojel içine ve dışına kimyasal türler tanıtmak ve çıkarmak için temel olarak difüzyon ile, bu yöntem daha küçük dökme geometriler ve ince filmler için uygundur. Tarama elektron mikroskobu, X-Ray diffractometri, termal gravimetrik analiz, azot gazı adsorpsiyon, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve döngüsel voltammetri ile selüloz nanoskopinin karakterizasyonu-Paladyum kompozit Aerogels yüksek yüzey alanı, metalize Paladyum gözenekli yapı gösterir.
Introduction
Aerogels, ilk kistler tarafından bildirilen, onların dökme malzeme meslektaşları daha az yoğunluklarında gözenekli yapıları siparişleri teklif1,2,3. Noble metal Aerogels güç ve enerji, katalizör ve sensör uygulamalarında potansiyelleri için bilimsel ilgi çekti. Noble metal Aerogels son iki temel stratejileri ile sentezlenmiş olmuştur. Bir strateji önceden biçimlendirilmiş nanopartiküller4,5,6,7birleşim ikna etmektir. Sol-jel coalescence nanopartiküller bağlayıcı moleküller tarafından tahrik edilebilir, çözüm iyonik mukavemet değişiklikleri, veya basit nanopmakale yüzey ücretsiz enerji minimizasyonu7,8,9. Diğer strateji metal habercisi çözümleri tek bir azaltma adımda Aerogels oluşturmak için9,10,11,12,13. Bu yaklaşım da Bimetalik ve alaşım asil metal Aerogels oluşturmak için kullanılmıştır. İlk strateji genellikle yavaş ve nanopartikül birleşim14için birçok hafta gerekebilir. Doğrudan azaltma yaklaşımı, genellikle daha hızlı iken, makroskopik Aerogel Monolith üzerinde kötü şekil kontrolü muzdarip.
Asil metal Aerogel makroskopik şekil ve nano kontrolü ile zorluklar adrese olası bir sentez yaklaşımı biotemkaplama15istihdam etmektir. Biotemkaplama biyolojik moleküller arasında değişen kullanır kollajen, jelatin, DNA, virüsler, selüloz bir şekil sağlamak için-nanoyapıların sentezini için şablon, nerede elde edilen metal bazlı nanoyapıların geometrisi kabul biyolojik şablon molekül16,17. Selüloz nanofibers Selülozik malzemelerin yüksek doğal bolluk verilen bir biotemplate olarak çekici, onların yüksek boy oranı doğrusal geometri, ve yeteneği kimyasal olarak glikoz monomerleri işlevselleştirmek için18,19, 20,21,22,23. Selüloz nanofibers (CNF) photoanodes için üç boyutlu TiO2 nanoteller sentezlemek için kullanılan24, şeffaf kağıt elektronik25için gümüş nanoteller, ve kataliz için Palladium Aerogel kompozitler26 . Ayrıca, TEMPO-oksitlenmiş selüloz nanofibers bir biotemplate olarak hem de kullanılmış olan Paladyum hazırlanmasında aracı azaltarak CNF Aerogels27.
Burada, bir yöntem selüloz nanolifi biotemkaplama Paladyum kompozit Aerogels sentezlemek için26sunulmuştur. Zayıf şekil kontrolü ile kırılgan Aerogels bir dizi asil metal Aerogel sentez yöntemleri için oluşur. Carboxymethylated selüloz nanofibers (cnfs) bir kovalent hidrojel oluşturmak için kullanılan, süperkritik kurutma sonra hem nano ve makroskopik Aerogel Monolith şekli üzerinde kontrol sağlayan cnfs üzerinde Palladium gibi metal iyonlarının azaltılması için izin verir. Carboxymethylated selüloz nanolifi çapraz ile elde edilir 1-etil-3-(3-dimethylaminopropyl) kardiimid hidroklorür (EDC) arasında bir bağlayıcı molekül olarak ethylenediamin varlığında cnfs. CNF hidrogeller, kovalent Crosslinking, ön-denge iyonlarıyla Dengeleme, yüksek konsantrasyon azaltma maddesi ile metal azaltma, su içinde durulama, etanol solvent değişimi ve CO2 gibi sentezleme adımları boyunca şeklini korur. Süper kritik kurutma. Precursor iyon konsantrasyonu varyasyonu, sol-jel yöntemlerinde kullanılan önceden biçimlendirilmiş Nanopartiküllerin nispeten yavaş bir araya güvenmekten ziyade, doğrudan iyon azaltma yoluyla son Aerogel metal içeriğinin kontrolünü sağlar. Hidrojel içine ve dışına kimyasal türler tanıtmak ve çıkarmak için temel olarak difüzyon ile, bu yöntem daha küçük dökme geometriler ve ince filmler için uygundur. Tarama elektron mikroskobu, X-Ray diffractometri, termal gravimetrik analiz, azot gazı adsorpsiyon, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve döngüsel voltammetri ile selüloz nanoskopinin karakterizasyonu-Paladyum kompozit Aerogels yüksek yüzey alanı, metalize Paladyum gözenekli yapı gösterir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Asil metal selüloz nanolber biotemkaplama Aerogel sentezi yöntemi burada ayarlanabilir metal kompozisyon ile istikrarlı Aerogel kompozitler sonuçları sundu. Sıkıştırılan selüloz nanofibers sonra santrifüjleme sonuçları mekanik dayanıklı hidrojellerin kovalent çapraz Paladyum iyon equilibration sonraki sentez adımlar sırasında, elektrokimyasal azaltma, durulama, solvent değişimi ve süper kritik kurutma. Hidrojel stabilitesi, yüksek konsantrasyona (2 M NaBH4) ve sonuç olarak şiddetli hi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Dr Stephen Bartolucci ve Dr Joshua Maurer için ABD Ordusu Benet laboratuvarları onların Tarama elektron mikroskobu kullanımı için minnettar. Bu çalışma Amerika Birleşik Devletleri Askeri Akademisi, West Point bir fakülte geliştirme Araştırma Fonu Hibe tarafından desteklenmektedir.
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 |
Referências
- 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).
