Método de síntese para celulose Nanofiber Biotemplated paládio composto Aerogéis
Summary
Um método da síntese para Aerogels compostos biotemplated do paládio do nanofibras da celulose é apresentado. Os materiais compostos resultantes do aerogel oferecem o potencial para aplicações da catálise, da detecção, e do armazenamento do gás do hidrogênio.
Abstract
Aqui, um método para sintetizar o nanofibras da celulose biotemplated os Aerogels compostos do paládio é apresentado. Os métodos nobres da síntese do aerogel do metal resultam frequentemente em Aerogels frágeis com controle pobre da forma. O uso de nanofibras reticulada da celulose (cnfs) para dar forma a um hidrogel covalentemente lig permite a redução de íons do metal tais como o paládio nos cnfs com controle sobre a nanoestrutura e a forma macroscópica do monólito do aerogel após supercrítico Secagem. A reticulação das nanofibras de celulose reticulada é conseguida usando 1-etil-3-(3-dimethylaminopropyl) cloridrato de carbodiimida (EDC) na presença de ethylenediamine. Os hidrogéis CNF mantêm sua forma ao longo de etapas de síntese, incluindo reticulação covalente, equilíbrio com íons precursores, redução de metal com agente redutor de alta concentração, enxaguamento em água, troca de solvente de etanol e CO2 Secagem supercrítica. Variando a concentração do íon do paládio do precursor permite o controle sobre o índice do metal no composto final do aerogel através de uma redução química direta do íon um pouco do que confiando na coalescência relativamente lenta de nanopartículas pre-formadas usadas em outros técnicas de sol-gel. Com a difusão como a base para introduzir e remover as espécies químicas dentro e fora do Hydrogel, este método é apropriado para geometrias maiorias menores e películas finas. Caracterização dos aerogéis compostos de nanofiber-paládio de celulose com microscopia eletrônica de varredura, difractometria de raios X, análise gravimétrica térmica, adsorção de gás nitrogenado, espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica indica uma área de superfície elevada, estrutura porosa do paládio metalizado.
Introduction
Aerogels, relatado pela primeira vez por Kistler, oferecer estruturas porosas ordens de magnitude menos densa do que suas contrapartes de material a granel1,2,3. Os aerogéis de metais nobres têm atraído interesse científico pelo seu potencial em aplicações de energia, de energias, catalíticas e de sensores. Os Aerogels do metal nobre foram sintetizados recentemente através de duas estratégias básicas. Uma estratégia é induzir a coalescência de nanopartículas pré-formadas4,5,6,7. A coalescência do sol-gel das nanopartículas pode ser conduzida por moléculas do vinculador, por mudanças na força iónica da solução, ou pela minimização simples da energia livre da superfície da nanopartícula7,8,9. A outra estratégia é formar aerogéis em uma única etapa de redução das soluções de precursores metálicos9,10,11,12,13. Esta abordagem também tem sido usada para formar aerogéis de metal nobre bimetálico e liga. A primeira estratégia é geralmente lenta e pode exigir até muitas semanas para a coalescência de nanopartículas14. A aproximação direta da redução, quando geralmente mais rápida, sofre do controle pobre da forma sobre o Monolith macroscópico do aerogel.
Uma possível abordagem de síntese para abordar os desafios com o controle da forma macroscópica do aerogel do metal nobre e da nanoestrutura é empregar o biotemplating15. Biotemplating usa moléculas biológicas que variam de colágeno, gelatina, DNA, vírus, a celulose para fornecer um modelo de direção de forma para a síntese de nanoestruturas, onde as nanoestruturas metálicas resultantes assumem a geometria do molécula modelo biológica16,17. As nanofibras da celulose são apelando como um biotemplate dada a abundância natural elevada de materiais celulósicos, sua geometria linear da relação de aspecto elevada, e capacidade para funcionalizar quimicamente seus monômeros18,19da glicose, 20,21,22,23. Nanofibras de celulose (CNF) têm sido utilizados para sintetizar três dimensional tio2 nanofios para fotoanodos24, nanofios de prata para a eletrônica de papel transparente25, e compósitos de aerogel Palladium para catálise26 . Além disso, as nanofibras de celulose oxidado por TEMPO têm sido usadas como biotemplate e agente redutor na preparação de aerogéis CNF decorados com paládio27.
Aqui, um método para sintetizar o nanofibras da celulose biotemplated os aerogéis compostos do paládio é apresentado26. Os Aerogels frágeis com controle pobre da forma ocorrem para métodos nobres da síntese do aerogel do metal da escala. As nanofibras carboxymethylated da celulose (cnfs) usadas para dar forma a um hidrogel covalente permitem a redução de íons do metal tais como o paládio nos cnfs que fornecem o controle sobre a nanoestrutura e a forma macroscópica do monólito do aerogel após a secagem supercrítico. A reticulação de nanofibras de celulose carboxymethylated é conseguida usando 1-etil-3-(3-dimethylaminopropyl) cloridrato de carbodiimida (EDC) na presença de etilenodiamina como uma molécula do linker entre cnfs. Os hidrogéis CNF mantêm sua forma ao longo das etapas de síntese, incluindo reticulação covalente, equilibração com íons precursores, redução de metal com agente redutor de alta concentração, enxaguamento em água, troca de solvente de etanol e CO2 Secagem supercrítica. A variação da concentração do íon do precursor permite o controle sobre o índice final do metal do aerogel com uma redução direta do íon um pouco do que confiando na coalescência relativamente lenta de nanopartículas pre-formadas usadas em métodos do sol-gel. Com a difusão como a base para introduzir e remover as espécies químicas dentro e fora do Hydrogel, este método é apropriado para geometrias maiorias menores e películas finas. Caracterização dos aerogéis compostos de nanofiber-paládio de celulose com microscopia eletrônica de varredura, difractometria de raios X, análise gravimétrica térmica, adsorção de gás nitrogenado, espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica indica uma área de superfície elevada, estrutura porosa do paládio metalizado.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método nobre da síntese do aerogel do nanofibras do metal da celulose apresentou aqui resultados em compostos estáveis do aerogel com composição ajustável do metal. A reticulação covalente das nanofibras de celulose compactada após a centrifugação resulta em hidrogéis que são mecanicamente duráveis durante as etapas de síntese subsequentes de equilíbrio de íons de paládio, redução eletroquímica, enxaguamento, solvente troca, e secagem supercrítico. A estabilidade do hidrogel é vital durante a eta…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores são gratos ao Dr. Stephen Bartolucci e Dr. Joshua Maurer no exército dos EUA Benet Laboratories para o uso de seu microscópio eletrônico de varredura. Este trabalho foi apoiado por uma bolsa do fundo de pesquisa de desenvolvimento da faculdade da academia militar dos Estados Unidos, West Point.
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
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