Synthesemethode für Cellulose Nanofaser Biotemplated Palladium Composite Aerogels
Summary
Ein Syntheseverfahren für Cellulose-Nanofaser-Biofaser-Palladium-Verbund-Aerogele wird vorgestellt. Die resultierenden Verbund-Aerogel-Materialien bieten Potenzial für Katalysator-, Sensor- und Wasserstoffgasspeicheranwendungen.
Abstract
Hier wird ein Verfahren zur Synthese von Cellulose-Nanofaser-Biofaser-Palladium-Verbund-Aerogelen vorgestellt. Edelmetall-Aerogel-Synthesemethoden führen oft zu zerbrechlichen Aerogelen mit schlechter Formkontrolle. Die Verwendung von carboxymethylierten Cellulose-Nanofasern (CNFs) zur Bildung eines kovalent gebundenen Hydrogels ermöglicht die Reduktion von Metallionen wie Palladium auf den CNFs mit Kontrolle über die Nanostruktur und makroskopische Aerogelmonolithform nach überkritischer Trocknen. Die Vernetzung der carboxymethylierten Cellulose-Nanofasern wird mit 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)-Carbodiimidhydrochlorid (EDC) in Gegenwart von Ethylendiamin erreicht. Die CNF-Hydrogele behalten ihre Form während der Syntheseschritte, einschließlich kovalenter Vernetzung, Gleichwächung mit Vorläuferionen, Metallreduktion mit hochkonzentrationsreduzierendem Mittel, Spülen in Wasser, Ethanol-Lösungsmittelaustausch und CO2 überkritische Trocknung. Die Variation der Vorläufer-Palladiumionenkonzentration ermöglicht die Kontrolle des Metallgehalts im endgültigen Aerogelverbund durch eine direkte ionenchemische Reduktion, anstatt sich auf die relativ langsame Koaleszenz von vorgeformten Nanopartikeln zu verlassen, die in anderen Sol-Gel-Techniken. Mit der Diffusion als Grundlage für die Ein- und Ausgliederung chemischer Arten in und aus dem Hydrogel eignet sich diese Methode für kleinere Schüttgutgeometrien und dünnschichtige Folien. Charakterisierung der Cellulose-Nanofaser-Palladium-Verbund-Aerogele mit Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, thermische rundmetrischer Analyse, Stickstoffgasadsorption, elektrochemischer Impedanzspektroskopie und zyklischer Voltammetrie zeigt eine hohe Oberfläche, metallisierte Palladium poröse Struktur.
Introduction
Aerogele, zuerst von Kistler berichtet, bieten poröse Strukturen Ummaßen von Größenordnungen weniger dicht als ihre Schüttgut Pendants1,2,3. Edelmetall-Aerogele haben wissenschaftliches Interesse für ihr Potenzial in Denpontien, Katalytikern und Sensoranwendungen geweckt. Edelmetall-Aerogele wurden vor kurzem über zwei grundlegende Strategien synthetisiert. Eine Strategie besteht darin, die Koaleszenz von vorgeformten Nanopartikeln4,5,6,7zu induzieren. Sol-Gel-Koaleszenz von Nanopartikeln kann durch Linkermoleküle, Veränderungen der Ionischen Lösungsstärke oder einfache Nanopartikel-Oberflächen-Freie-Energie-Minimierung7,8,9angetrieben werden. Die andere Strategie ist es, Aerogele in einem einzigen Reduktionsschritt aus Metallvorläuferlösungen9,10,11,12,13zu bilden. Dieser Ansatz wurde auch verwendet, um bimetallische und Legierung Edelmetall-Aerogele zu bilden. Die erste Strategie ist im Allgemeinen langsam und kann bis zu viele Wochen für Nanopartikel-Koaleszenz14dauern. Der direkte Reduktionsansatz ist zwar schneller, leidet aber unter einer schlechten Formkontrolle des makroskopischen Aerogelmonolithen.
Ein möglicher Syntheseansatz zur Bewältigung von Herausforderungen bei der Steuerung von Edelmetall-Aerogel-Makroskopische Form und Nanostruktur ist die Verwendung von Biotemplatierung15. Biotemplating verwendet biologische Moleküle von Kollagen, Gelatine, DNA, Viren bis hin zu Zellulose, um eine formlenkende Schablone für die Synthese von Nanostrukturen zu liefern, bei der die resultierenden metallbasierten Nanostrukturen die Geometrie der biologische Schablonenmolekül16,17. Cellulose-Nanofasern sind als Biotemplate attraktiv angesichts der hohen natürlichen Fülle von zellulosehaltigen Materialien, ihrem hohen Seitenverhältnis lineare Geometrie und die Fähigkeit, ihre Glukosemonomere chemisch zu funktionalisieren18,19, 20,21,22,23. Cellulose-Nanofasern (CNF) wurden zur Synthese dreidimensionaler TiO 2-Nanodrähte für Photoanoden24, Silber-Nanodrähte für transparente Papierelektronik25und Palladium-Aerogel-Verbundwerkstoffe für die Katalyse 26 verwendet. . Darüber hinaus wurden TEMPO-oxidierte Cellulose-Nanofasern sowohl als Biotemplate als auch als Reduktionsmittel bei der Herstellung von palladiumverzierten CNF-Aerogelen27eingesetzt.
Hier wird ein Verfahren zur Synthese von Cellulose-Nanofaser-Biofaser-Palladium-Verbund-Aerogelen vorgestellt26. Fragile Aerogele mit schlechter Formkontrolle kommen für eine Reihe von Edelmetall-Aerogel-Synthese-Methoden. Carboxymethylierte Cellulose-Nanofasern (CNFs), die zur Bildung eines kovalenten Hydrogels verwendet werden, ermöglichen die Reduktion von Metallionen wie Palladium auf den CNFs, die die Kontrolle über die Nanostruktur und die makroskopische Aerogelmonolithform nach überkritischer Trocknung ermöglichen. Die Vernetzung von Carboxymethylierter Cellulose-Nanofaser wird mit 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)-Carbodiimidhydrochlorid (EDC) in Gegenwart von Ethylendiamin als Linkermolekül zwischen CNFs erreicht. Die CNF-Hydrogele behalten ihre Form während der Syntheseschritte, einschließlich kovalenter Vernetzung, Gleichwächung mit Vorläuferionen, Metallreduktion mit hochkonzentrationsreduzierendem Mittel, Spülen in Wasser, Ethanol-Lösungsmittelaustausch undCO2 überkritische Trocknung. Die Variation der Vorläuferionenkonzentration ermöglicht die Kontrolle des endgültigen Aerogelmetallgehalts durch eine direkte Ionenreduktion, anstatt sich auf die relativ langsame Koaleszenz von vorgeformten Nanopartikeln zu verlassen, die in Sol-Gel-Methoden verwendet werden. Mit der Diffusion als Grundlage für die Ein- und Ausgliederung chemischer Arten in und aus dem Hydrogel eignet sich diese Methode für kleinere Schüttgutgeometrien und dünnschichtige Folien. Charakterisierung der Cellulose-Nanofaser-Palladium-Verbund-Aerogele mit Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, thermische rundmetrischer Analyse, Stickstoffgasadsorption, elektrochemischer Impedanzspektroskopie und zyklischer Voltammetrie zeigt eine hohe Oberfläche, metallisierte Palladium poröse Struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier vorgestellte Edelmetall-Nanofaser-Biofaser-Aerogel-Synthesemethode liefert stabile Aerogel-Verbundwerkstoffe mit abgestimmter Metallzusammensetzung. Die kovalente Vernetzung der verdichteten Cellulose-Nanofasern nach zentrifugieren führt zu Hydrogelen, die während der nachfolgenden Syntheseschritte der Palladium-Ionen-Äquilibration, elektrochemischen Reduktion, Spülung, Lösungsmittel mechanisch haltbar sind. Austausch und überkritische Trocknung. Die Hydrogelstabilität ist während des elektrochemischen R…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Dr. Stephen Bartolucci und Dr. Joshua Maurer von den U.S. Army Benet Laboratories für den Einsatz ihres Rasterelektronenmikroskops. Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des Faculty Development Research Fund der United States Military Academy, West Point, unterstützt.
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 |
References
- 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).
