Syntesmetod för cellulosa Nanofiber Biotemplated Palladium komposit Aerogels
Summary
En syntesmetod för cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras. Den resulterande komposit Aerogel material erbjuder potential för katalys, avkänning, och vätegas lagringstillämpningar.
Abstract
Här, en metod för att syntetisera cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras. Ädel metall Aerogel syntesmetoder resulterar ofta i bräckliga Aerogel med dålig form kontroll. Användningen av karboxymetylerade cellulosa nanofibrer (CNFs) för att bilda en kovalent bunden hydrogel möjliggör reduktion av metalljoner såsom Palladium på CNFs med kontroll över både nanostruktur och makroskopisk Aerogel monolit form efter superkritisk Torkning. Tvärbindning av karboxymetylerad cellulosa nanofibrer uppnås med hjälp av 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) karbodiimidgrupp hydroklorid (EDC) i närvaro av etylendiamin. CNF hydrogeler behåller sin form genom syntes steg inklusive kovalenta crosslinking, jämvikt med föregångare joner, metall reduktion med hög koncentration reducerande medel, sköljning i vatten, utbyte av etanol vätska, och co2 superkritisk torkning. Varierande föregångaren Palladium Jon koncentrationen möjliggör kontroll över metallinnehållet i den slutliga Aerogel komposit genom en direkt Jon kemisk reduktion i stället för att förlita sig på den relativt långsamma samalescens av förformade nanopartiklar som används i andra Sol-gel tekniker. Med diffusion som grund för att introducera och avlägsna kemiska arter till och från Hydrogelen är denna metod lämplig för mindre bulkgeometrier och tunna filmer. Karakterisering av cellulosa Nanofiber-Palladium komposit Aerogel med scanning elektronmikroskopi, röntgen diffraktometri, termisk gravimetrisk analys, kvävgasadsorption, elektrokemisk impedansspektroskopi, och cyklisk voltametri indikerar en hög ytarea, metalliserad Palladium porös struktur.
Introduction
Aerogels, först rapporteras av Kistler, erbjuder porösa strukturer order av magnitud mindre tät än deras bulk material motsvarigheter1,2,3. Noble metal Aerogel har lockat vetenskapligt intresse för sin potential inom kraft-och energi, katalysatorer och sensor applikationer. Ädel metall Aerogel har nyligen syntetiserats via två grundläggande strategier. En strategi är att framkalla återförening av pre-bildade nanopartiklar4,5,6,7. Sol-gel återförening av nanopartiklar kan drivas av Linker molekyler, förändringar i lösningen jonisk styrka, eller enkel nanopartikel yta fri energiminimering7,8,9. Den andra strategin är att bilda Aerogel i ett enda reduktions steg från metallprekursorer9,10,11,12,13. Detta tillvägagångssätt har också använts för att bilda bimetalliska och legering ädel metall Aerogels. Den första strategin är i allmänhet långsam och kan kräva upp till många veckor för nanopartiklar återförening14. Den direkta minskningen tillvägagångssätt, medan generellt snabbare, lider av dålig form kontroll över makroskopiska Aerogel Monolith.
En möjlig syntes strategi för att hantera utmaningar med kontroll av ädel metall Aerogel makroskopisk form och nanostruktur är att anställa biotemplating15. Biotemplating använder biologiska molekyler som sträcker sig från kollagen, gelatin, DNA, virus, till cellulosa för att ge en form-styra mall för syntes av nanostrukturer, där de resulterande metallbaserade nanostrukturer antar geometrin hos biologisk mallmolekyl16,17. Cellulosa nanofibrer är tilltalande som en biotemplate med tanke på den höga naturliga överflöd av cellulosahaltiga material, deras höga proportioner linjär geometri, och förmåga att kemiskt funktionalisera deras glukos monomerer18,19, 20,21,22,23. Cellulosa nanofibrer (CNF) har använts för att syntetisera tredimensionell TiO2 nanotrådar för photoanodes24, silvernanotrådar för transparent pappers elektronik25, och Palladium Aerogel kompositer för katalys26 . Vidare har tempo-oxiderad cellulosa nanofibrer använts både som en biotemplate och reducerande medel i beredningen av Palladium dekorerade CNF Aerogel27.
Här, en metod för att syntetisera cellulosa från biotemplated Palladium komposit Aerogel presenteras26. Bräckliga Aerogel med dålig form kontroll sker för en rad ädel metall Aerogel syntesmetoder. Karboxymetylerad cellulosa nanofibrer (CNFs) används för att bilda en kovalent hydrogel möjliggör minskning av metalljoner såsom Palladium på CNFs ger kontroll över både nanostruktur och makroskopiska Aerogel Monolith form efter superkritisk torkning. Karboxymetylerad cellulosa från crosslinking uppnås med 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) karbodiimidgrupp hydroklorid (EDC) i närvaro av etylendiamin som en Linker molekyl mellan CNFs. Den CNF hydrogeler behålla sin form under hela syntes steg inklusive kovalenta crosslinking, jämvikt med föregångare joner, metall reduktion med hög koncentration reducerande medel, sköljning i vatten, utbyte av etanol vätska, och co2 superkritisk torkning. Variation i koncentrationen av jonkoncentrationer möjliggör kontroll av den slutliga Aerogel-metallhalten genom en direkt Jon reduktion i stället för att förlita sig på den relativt långsamma koalescens av redan bildade nanopartiklar som används i sol-gel-metoder. Med diffusion som grund för att introducera och avlägsna kemiska arter till och från Hydrogelen är denna metod lämplig för mindre bulkgeometrier och tunna filmer. Karakterisering av cellulosa Nanofiber-Palladium komposit Aerogel med scanning elektronmikroskopi, röntgen diffraktometri, termisk gravimetrisk analys, kvävgasadsorption, elektrokemisk impedansspektroskopi, och cyklisk voltametri indikerar en hög ytarea, metaliserad palladiumporös struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den ädla metall cellulosa från biotemplated Aerogel syntesmetod som presenteras här resulterar i stabila Aerogel kompositer med avstämbara metall sammansättning. Den kovalenta crosslinking av den kompakte cellulosa nanofibrer efter centrifugering resulterar i hydrogeler som är mekaniskt hållbara under de efterföljande syntes steg av Palladium jonjämning, elektrokemisk reduktion, sköljning, lösningsmedel och superkritisk torkning. Hydrogel stabiliteten är avgörande under det elektrokemiska reduktions steget g…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma för Dr Stephen Bartolucci och Dr Joshua Maurer vid US Army benet laboratorier för användning av deras Scanningelektronmikroskop. Detta arbete stöddes av en fakultetsutveckling forskningsfond bidrag från Förenta staternas militär akademi, 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
- 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).
