Summary

En hurtig syntese metode til Au, Pd og Pt aerogeler Via direkte løsning-baseret reduktion

Published: June 18, 2018
doi:

Summary

En hurtig, direkte løsning-baseret reduktion syntese metode til at opnå Au, Pd og Pt aerogeler præsenteres.

Abstract

Her præsenteres en metode til at syntetisere guld, palladium og platin aerogeler via en hurtig, direkte løsning-baseret reduktion. Kombinationen af forskellige forløber ædle metal ioner med reduktionsmiddel i en 1:1 (v/v) ratio resultater i dannelsen af metal geler inden for sekunder til minutter i forhold til meget længere syntese gange for andre teknikker såsom sol-gel. Gennemføre trinnet reduktion i en microcentrifuge letter tube eller lille volumen koniske rør en foreslåede Nukleering, vækst, fortætning, fusion, ækvilibrering model for dannelse af gel med endelige gel geometri mindre end første reaktion volumen. Denne metode udnytter energisk hydrogen gas udvikling som et biprodukt af trinnet reduktion, og som følge af reagens koncentrationer. Opløsningsmiddel tilgængelige specifikke areal bestemmes med både elektrokemiske impedans spektroskopi og cyklisk voltammetry. Efter skylning og fryse tørring, behandles den resulterende aerogel struktur med scanning elektronmikroskopi, X-ray diffractometry og nitrogen gas adsorption. Syntese-metoden og karakterisering teknikker resultere i en tæt korrespondance af aerogel ligament størrelser. Denne syntese metode for ædelmetal aerogeler viser, at høje specifikke overfladeareal Monoliter kan opnås med en hurtig og direkte reduktion tilgang.

Introduction

En bred vifte af energilagring og konvertering, katalyse og sensor programmer drage fordel af tre-dimensionelle metallisk nanostrukturer, der giver kontrol over kemisk reaktivitet og massetransporten egenskaber1,2, 3,4,5. Sådan 3-dimensionelle metallisk nanostrukturer yderligere forbedre ledningsevne, sejhed, formbarhed og styrke8,9. Integration i enheder nødvendiggør at materialer være fritstående eller kombineret med støttematerialer. Indarbejdelse af nanomaterialer på støttestrukturer giver et middel til minimere aktive materiale, men muligvis lider af svag adsorption og eventuel bymæssigt område under enhed operation10,11.

Mens der er en række forskellige syntese metoder til at styre individuel nanopartikel størrelse og form, aktiverer par tilgange kontrol over sammenhængende 3-dimensionelle nanomaterialer12,13,14. Ædelmetal 3-dimensionelle nanostrukturer er blevet dannet gennem dithiol sammenkobling af monodisperse nanopartikler, sol-gel dannelse, nanopartikel sammensmeltning, kompositmaterialer, nanosphere kæder og biotemplating15,16 , 17 , 18. mange af disse metoder kræver syntese gange om dage til uger at give ønskede materialer. Ædelmetal nanofoams syntetiseret fra den direkte reduktion af forløber saltopløsninger har udarbejdet med en hurtigere syntese tidsskalaen og med kortrækkende bestilling af hundredvis af mikrometer i længden, men kræver mekaniske presser på for enheden integration 19 , 20.

Første rapporteret af Kistler, give aerogeler en sammenfattende rute for at nå porøse strukturer med høj specifik overflade områder, der er størrelsesordener mindre tætte end deres bulk materielle modparter21,22,23 . Forlænge 3-dimensionelle strukturer til makroskopisk længde omfanget af bulkgods tilbyder en fordel over nanopartikel aggregater eller nanofoams, der kræver støttematerialer eller mekanisk bearbejdning. Mens aerogeler give en sammenfattende rute for at styre porøsitet og partikel funktion størrelse, men udvidet syntese gange, og i nogle tilfælde brug af udjævningen agenter eller linker molekyler, øger samlede behandling trin og tid.

Her præsenteres en metode til at syntetisere guld, palladium og platin aerogeler via en hurtig, direkte løsning-baseret reduktion24. Kombinere forskellige forløber ædle metal ioner med reduktionsmiddel i en 1:1 sammenlignet (v/v) ratio resultater i dannelsen af metal geler inden for sekunder til minutter med meget længere syntese gange for andre teknikker såsom sol-gel. Brugen af et microcentrifuge rør eller lille volumen koniske rør udnytter energisk hydrogen gas udvikling som et biprodukt af trinnet reduktion at lette en foreslåede Nukleering, vækst, fortætning, fusion, ækvilibrering model for gel dannelse. En tæt korrelation i aerogel nanostrukturer funktion størrelser bestemmes med scanning Elektron Mikroskopi billedanalyse, X-ray diffractometry, nitrogen gas adsorption, elektrokemiske impedans spektroskopi og cyklisk voltammetry. Opløsningsmiddel tilgængelige specifikke areal bestemmes med både elektrokemiske impedans spektroskopi og cyklisk voltammetry. Denne syntese metode for ædelmetal aerogeler viser, at høje specifikke overfladeareal Monoliter kan opnås med en hurtig og direkte reduktion tilgang.

Protocol

Forsigtig: Høre alle relevante sikkerhedsdatablade (SDS) før brug. Brug passende sikkerhedspraksis når du udfører kemiske reaktioner, til at omfatte brugen af et stinkskab og personlige værnemidler. Hurtig hydrogen gas udvikling kan forårsage højt tryk i reaktion rør forårsager caps til pop og løsninger til at sprøjte ud. Sikre at reaktion tube caps forblive åben som angivet i protokollen. 1. metal Gel forberedelse Forberedelse af metal ion løsninger. …

Representative Results

Tilsætning af metal-ion og reduktionsmiddel løsninger sammen resulterer i løsninger straks vender en mørk sort farve med kraftig gas evolution. Observation af reaktion fremskridt antyder den foreslåede gel formation mekanisme vist i figur 1. Gel dannelsen skrider frem gennem fem trin 1) nanopartikel Nukleering, 2) vækst, 3) fortætning, 4) fusion og 5) ækvilibrering. De første fire trin er observeret for at forekomme under de første par minutter af r…

Discussion

Ædelmetal aerogel syntese metode præsenteres her resultaterne i dannelsen af porøse, høj areal Monoliter, der er sammenlignelige med langsommere syntese teknikker. 1:1 (v/v) metal ion opklaring at reduktionsmiddel løsning ratio er kritisk i lette foreslåede gel dannelse model. Den hurtige hydrogen gas udvikling som et biprodukt af elektrokemisk reduktion af metal ioner fungerer som en sekundær reduktionsmiddel og letter fortætning og fusion af voksende nanopartikler under gel dannelse. Udvalg af de optimale kombi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne er Stephen Steiner på Aerogel teknologier for hans inspiration og tekniske indsigt, og Dr. Deryn Chu på Army Research Laboratory-sensorer og elektron enheder direktorat, Dr. Christopher Haines på våbenforskning, taknemmelig Udvikling og Engineering Center, US Army RDECOM-ARDEC og Dr. Stephen Bartolucci på amerikanske hær Benet laboratorier for deres bistand. Dette arbejde blev støttet af et fakultet udvikling forskningsfond tilskud fra de Forenede Stater Military Academy, West Point.

Materials

HAuCl4Ÿ•3H2 Sigma-Aldrich 16961-25-4
Na2PdCl4 Sigma-Aldrich 13820-40-1
K2PtCl6 Sigma-Aldrich 16921-30-5
Pd(NH3)4Cl2 Sigma-Aldrich 13933-31-8
K2PtCl4 Sigma-Aldrich 10025-99-7
Pt(NH3)4Cl2Ÿ•H2O Sigma-Aldrich 13933-31-8
dimethylamine borane (DMAB) Sigma-Aldrich 74-94-2
NaBH4 Sigma-Aldrich 16940-66-2
NaH2PO2Ÿ•H2O Sigma-Aldrich 10039-56-2
Ethanol Sigma-Aldrich 792780
Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 2.0 mL Cole Parmer UX-06333-70
Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 1.7 mL Cole Parmer UX-06333-60
Conical Centrifuge Tubes 15mL Stellar Scientific T15-101 
Ag/AgCl Reference Electrode BASi MF-2052
Pt wire electrode BASi MF-4130
Miccrostop Lacquer Tober Chemical Division NA
Potentiostat Biologic-USA VMP-3 Electrochemical analysis-EIS, CV
Freeze Dryer Labconco Freezone 2.5 Liter Aerogel freeze drying
XRD PanAlytical Empyrean X-ray diffractometry
Surface and Pore Analyzer Quantachrome NOVA 4000e Nitrogen gas adsorption
ImageJ, Image analysis software National Institute of Health NA SEM image analysis

References

  1. Rolison, D. Catalytic Nanoarchitectures-the Importance of Nothing and the Unimportance of Periodicity. Science. 299, 1698-1701 (2003).
  2. Wei, T., Chen, C., Chang, K., Lu, S., Hu, C. Cobalt Oxide Aerogels of Ideal Supercapacitive Properties Prepared with an Epoxide Synthetic Route. Chemistry of Materials. 21, 3228-3233 (2009).
  3. Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
  4. Gaponik, N., Herrmann, A., Eychmuller, A. Colloidal Nanocrystal-Based Gels and Aerogels: Material Aspects and Application Perspectives. Journal of Physical Chemistry Letters. 3, 8-17 (2012).
  5. Olsson, R., et al. Making flexible magnetic aerogels and stiff magnetic nanopaper using cellulose nanofibrils as templates. Nature Nanotechnology. 5, 584-588 (2010).
  6. Anderson, M., Morris, C., Stroud, R., Merzbacher, C., Rolison, D. Colloidal Gold Aerogels: Preparation, Properties, and Characterization. Langmuir. 15, 674-681 (1999).
  7. Gaponik, N., Herrmann, A., Eychmuller, A. Colloidal Nanocrystal-Based Gels and Aerogels: Material Aspects and Application Perspectives. Journal of Physical Chemistry Letters. 3, 8-17 (2012).
  8. Hodge, A., Hayes, J., Cao, J., Biener, J., Hamza, A. Characterization and Mechanical Behavior of Nanoporous Gold. Advanced Engineering Materials. 8, 853-857 (2006).
  9. Hodge, A., et al. Scaling equation for yield strength of nanoporous open-cell foams. Acta Materialia. 55, 1343-1349 (2007).
  10. Ambrosi, A., Chua, C., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
  11. Maillard, F., et al. Influence of particle agglomeration on the catalytic activity of carbon-supported Pt nanoparticles in CO monolayer oxidation. Physical Chemistry Chemical Physics. 7, 385-393 (2005).
  12. Zhao, P., Li, N., Astruc, D. State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews. 257, 638-665 (2013).
  13. Wen, D., et al. Controlling the Growth of Palladium Aerogels with High-Performance toward Bioelectrocatalytic Oxidation of Glucose. Journal of American Chemical Society. 136, 2727-2730 (2014).
  14. Jana, N., Gearheart, L., Murphy, C. Seed-Mediated Growth Approach for Shape-Controlled Synthesis of Spheroidal and Rod-like Gold Nanoparticles Using a Surfactant Template. Advanced Materials. 13, 1389-1392 (2001).
  15. Ding, Y., Chen, M., Erlebacher, J. Metallic Mesoporous Nanocomposites for Electrocatalysis. Journal of American Chemical Society. 126, 6876-6877 (2004).
  16. Liu, W., et al. High-Performance Electrocatalysis on Palladium Aerogels. Angewandte Chemie. International Edition. 51, 5743-5747 (2012).
  17. Herrmann, A., et al. Multimetallic Aerogels by Template-Free Self-Assembly of Au, Ag, Pt, and Pd Nanoparticles. Chemistry of Materials. 26, 1074-1083 (2014).
  18. Ameen, K., Rajasekharan, T., Rajasekharan, M. Grain size dependence of physico-optical properties of nanometallic silver in silica aerogel matrix. Journal of Non-Crystalline Solids. 352, 737-746 (2006).
  19. Qin, G., et al. A Facile and Template-Free Method to Prepare Mesoporous Gold Sponge and Its Pore Size Control. Journal of Physical Chemistry C. 112, 10352-10358 (2008).
  20. Krishna, K., Sandeep, C., Philip, R., Eswaramoorthy, M. Mixing Does the Magic: A Rapid Synthesis of High Surface Area Noble Metal Nanosponges Showing Broadband Nonlinear Optical Response. ACS Nanotechnology. 5, 2681-2688 (2010).
  21. Kistler, S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 127, 741-741 (1931).
  22. 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, 941-968 (2013).
  23. Tappan, B., Steiner, S., Luther, E. Nanoporous Metal Foams. Angewandte Chemie. International Edition. 49, 4544-4565 (2010).
  24. Burpo, F., et al. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research. 32, 4153-4165 (2017).
  25. Ostwald, W. Blocking of Ostwald ripening allowing long-term stabilization. PhysicalChemistry. 37, 385 (1901).
  26. Wang, S., Tseng, W. Aggregate structure and crystallite size of platinum nanoparticles synthesized by ethanol reduction. Journal of Nanoparticle Research. 11, 947-953 (2009).
  27. Schneider, C., Rasband, W., Eliceiri, K. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
  28. Thommes, M., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 87, 1051-1069 (2015).
  29. Barrett, E., Joyner, L., Halenda, P. The Determination of Pore Volume and Area Distributions in Porous Substances. I. Computations from Nitrogen Isotherms. Journal of the American Chemical Society. 73, 373-380 (1951).
  30. Brunauer, B., Emmett, P., Teller, P. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society. 60, 309-319 (1938).
  31. Herrmann, A., et al. Multimetallic Aerogels by Template-Free Self-Assembly of Au, Ag, Pt, and Pd Nanoparticles. Chemistry of Materials. 26, 1074-1083 (2014).
  32. Kornyshev, A., Irbakh, M. Double-layer capacitance on a rough metal surface. Physical Review E. 53, 6192-6199 (1996).
  33. Bisquert, J. Influence of the boundaries in the impedance of porous film electrodes. Physical Chemistry Chemical Physics. 2, 4185-4192 (2000).
  34. Bisquert, J. Theory of the Impedance of Electron Diffusion and Recombination in a Thin Layer. Journal of Physical Chemistry B. 106, 325-333 (2002).
  35. Lu, K., Yuan, L., Xin, X., Xu, Y. Hybridization of graphene oxide with commercial graphene for constructing 3D metal-free aerogel with enhanced photocatalysis. Applied Catalysis B. 226, 16-22 (2018).
  36. Nystron, G., Roder, L., Fernandez-Ronco, M., Mezzenga, R. Amyloid Templated Organic Inorganic Hybrid Aerogels. Advanced Functional Materials. , 1703609-1703620 (2017).
check_url/57875?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Burpo, F. J., Nagelli, E. A., Morris, L. A., McClure, J. P., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction. J. Vis. Exp. (136), e57875, doi:10.3791/57875 (2018).

View Video