Veelzijdige techniek om een hiërarchisch ontwerp in nanoporeus goud te produceren

Vaak gezien in de natuur, zijn hiërarchische poreuze architecturen geïmiteerd op nanoschaal om de fysieke kenmerken van materialen te veranderen voor verbeterde prestaties¹. Onderling verbonden structurele elementen van verschillende lengteschalen zijn een kenmerk van de hiërarchische architectuur van poreuze materialen². Dealloyed nanoporeuze metalen hebben meestal unimodale poriegrootteverdelingen; Daarom zijn er meerdere technieken bedacht om hiërarchisch bimodale poreuze structuren te produceren met twee afzonderlijke poriegroottebereiken³. De twee fundamentele doelstellingen van de materiaalontwerpbenadering, namelijk het grote specifieke oppervlak voor functionalisering en snelle transportroutes, die verschillend zijn en inherent met elkaar in conflict zijn, worden vervuld door functionele materialen met structurele hiërarchie ^4,5.

De prestaties van de elektrochemische sensor worden bepaald door de morfologie van de elektrode, omdat de poriegrootte van de nanomatrix cruciaal is voor moleculair transport en vangst. Kleine poriën blijken te helpen bij de identificatie van het doelwit in gecompliceerde monsters, terwijl grotere poriën de toegankelijkheid van het doelmolecuul verbeteren, waardoor het detectiebereik van de sensor^{wordt vergroot 6}. De op sjablonen gebaseerde fabricage, galvaniseren, bottom-up synthetische chemie, dunne film sputterende depositie⁷, complexe flexibele matrices op basis van polydimethylsiloxaanondersteuning⁸, legering van verschillende metalen gevolgd door selectief etsen van het minder edele metaal, en elektrodepositie zijn enkele van de methoden die vaak worden gebruikt om nanostructuren in de elektrode te introduceren. Een van de beste methoden voor het creëren van poreuze structuren is de dealloying-procedure. Vanwege de ongelijkheid in oplossnelheden beïnvloedt het opofferingsmetaal, het minder edele metaal, de uiteindelijke morfologie van de elektrode aanzienlijk. Een onderling verbonden netwerk van poriën en ligamenten is het resultaat van het effectieve proces van het creëren van nanoporeuze goud (NPG) structuren, waarin de minder nobele component selectief oplost uit de startlegering en de resterende atomen reorganiseren en consolideren⁹.

De methode van dealloying/plating/re-dealloying die Ding en Erlebacher gebruikten om deze nanostructuren te maken, hield in dat eerst de voorloperlegering bestaande uit goud en zilver werd onderworpen aan chemische dealloying met behulp van salpeterzuur, gevolgd door verwarming bij een hogere temperatuur met een enkele poriegrootteverdeling om het bovenste hiërarchische niveau te creëren, en het verwijderen van het resterende zilver met behulp van een tweede dealloying om het lagere hiërarchische niveau te produceren. Deze methode was van toepassing op dunne films¹⁰. Het gebruik van ternaire legeringen, die bestaan uit twee relatief reactievere edelmetalen die één voor één worden weggeërodeerd, werd geadviseerd door Biener et al.; Cu en Ag werden aanvankelijk uit het Cu-Ag-Au-materiaal verwijderd, waardoor bimodaal gestructureerde NPG-monsters met lage dichtheid achterbleven¹¹. Geordende structuren over lange afstand worden niet geproduceerd volgens de procedures die zijn beschreven met behulp van ternaire legeringen. Grotere poriën werden geproduceerd door een van de fasen van de masterlegering van Al-Au van Zhang et al. weg te halen, die de bimodale structuur produceerde met een minimale mate van orde¹². Een geordende hiërarchische structuur is naar verluidt gecreëerd door verschillende lengteschalen te controleren, door het gebruik van verwerkingspaden die het demonteren van bulkmaterialen omvatten en het samenvoegen van basiscomponenten tot grotere structuren. In dit geval werd een hiërarchische NPG-structuur gemaakt via direct ink writing (DIW), legering en dealloying¹³.

Hier wordt een tweestaps dealloying-methode gepresenteerd voor het fabriceren van een hiërarchische bimodale nanoporeuze goud (hb-NPG) structuur met behulp van verschillende Au-Ag-legeringssamenstellingen. De hoeveelheid reactief element waaronder het dealen stopt, is in theorie de afscheidslimiet. De oppervlaktediffusiekinetiek wordt enigszins beïnvloed door de afscheidingslimiet of dealloyingdrempel, die meestal tussen 50 en 60 atomair percentage ligt voor elektrolytische oplossing van de meer reactieve component uit een binaire legering. Een grote atomaire fractie van Ag in de Au:Ag-legering is noodzakelijk voor de succesvolle synthese van hb-NPG, omdat zowel de elektrochemische als de chemische dealloyingprocessen niet met succes kunnen worden voltooid bij lage concentraties in de buurt van de afscheidsgrens¹⁴.

Het voordeel van deze methode is dat de structuur en poriegrootte strak gecontroleerd kunnen worden. Elke stap in het protocol is cruciaal voor het verfijnen van de typische porositeitslengteschaal en de typische afstand tussen ligamenten¹⁵. Om de snelheid van ioneninterfaciale diffusie en oplossing te regelen, wordt de toegepaste spanning zorgvuldig gekalibreerd. Om scheurvorming tijdens het dealen te voorkomen, wordt de Ag-oplossnelheid gecontroleerd.