Mångsidig teknik för att producera en hierarkisk design i nanoporöst guld

Ofta sett i naturen har hierarkiska porösa arkitekturer imiterats på nanoskala för att ändra materialens fysiska egenskaper för förbättrad prestanda¹. Sammankopplade strukturella element av olika längdskalor är ett kännetecken för den hierarkiska arkitekturen av porösa material². Delegerade nanoporösa metaller har typiskt unimodala porstorleksfördelningar; Därför har flera tekniker utformats för att producera hierarkiskt bimodala porösa strukturer med två separata porstorleksintervall³. De två grundläggande målen för materialdesignmetoden, nämligen den stora specifika ytan för funktionalisering och snabba transportvägar, som är distinkta och i sig står i konflikt med varandra, uppfylls av funktionella material som har strukturell hierarki ^4,5.

Den elektrokemiska sensorns prestanda bestäms av elektrodmorfologin, eftersom nanomatrisens porstorlek är avgörande för molekylär transport och infångning. Små porer har visat sig hjälpa till med målidentifiering i komplicerade prover, medan större porer förbättrar målmolekylens tillgänglighet, vilket ökar sensorns detektionsområde⁶. Den mallbaserade tillverkningen, galvanisering, bottom-up syntetisk kemi, tunnfilmsförstoftning⁷, komplexa flexibla matriser baserade på polydimetylsiloxanstöd⁸, legering av olika metaller följt av selektiv etsning av den mindre ädla metallen och elektrodeposition är några av de metoder som ofta används för att införa nanostrukturer i elektroden. En av de bästa metoderna för att skapa porösa strukturer är dealloyeringsproceduren. På grund av skillnaden i upplösningshastigheter påverkar offermetallen, som är den mindre ädelmetallen, signifikant elektrodens slutliga morfologi. Ett sammankopplat nätverk av porer och ligament är resultatet av den effektiva processen att skapa nanoporösa guldstrukturer (NPG), där den mindre ädla komponenten selektivt löser sig ur utgångslegeringen och de återstående atomerna omorganiserar och konsoliderar⁹.

Metoden för dealloying / plätering / återdelegering som användes av Ding och Erlebacher för att göra dessa nanostrukturer involverade först att utsätta prekursorlegeringen bestående av guld och silver för kemisk dealloying med salpetersyra, följt av uppvärmning vid en högre temperatur med en enda porstorleksfördelning för att skapa den övre hierarkiska nivån och ta bort det återstående silvret med en andra dealloying för att producera den lägre hierarkiska nivån. Denna metod var tillämplig på tunna filmer¹⁰. Att använda ternära legeringar, som består av två jämförelsevis mer reaktiva ädelmetaller som eroderas bort en i taget, rådgavs av Biener et al; Cu och Ag avlägsnades ursprungligen från Cu-Ag-Au-materialet och lämnade efter sig bimodalt strukturerade NPG-prover med låg densitet¹¹. Långväga beställda strukturer produceras inte genom de beskrivna förfarandena med användning av ternära legeringar. Större porer producerades genom att extrahera bort en av faserna av masterlegeringen av Al-Au anställd av Zhang et al., som producerade den bimodala strukturen med en minimal grad av ordning¹². En ordnad hierarkisk struktur har enligt uppgift skapats genom att kontrollera flera längdskalor, genom användning av bearbetningsvägar som inkluderar demontering av bulkmaterial och sätta ihop grundläggande komponenter till större strukturer. I detta fall gjordes en hierarkisk NPG-struktur via direkt bläckskrivning (DIW), legering och dealloying¹³.

Här presenteras en tvåstegs dealloyeringsmetod för tillverkning av en hierarkisk bimodal nanoporös guldstruktur (hb-NPG) som använder olika Au-Ag-legeringskompositioner. Mängden reaktivt element under vilket avlegeringen stannar är i teorin avskiljningsgränsen. Ytdiffusionskinetiken påverkas något av avstickningsgränsen eller avlegeringströskeln, som typiskt är mellan 50 och 60 atomprocent för elektrolytisk upplösning av den mer reaktiva komponenten från en binär legering. En stor atomfraktion av Ag i Au:Ag-legeringen är nödvändig för en framgångsrik syntes av hb-NPG, eftersom både de elektrokemiska och kemiska avlegeringsprocesserna inte kan slutföras framgångsrikt vid låga koncentrationer nära avskiljningsgränsen¹⁴.

Fördelen med denna metod är att strukturen och porstorleken kan kontrolleras tätt. Varje steg i protokollet är avgörande för att finjustera den typiska porositetslängdskalan och det typiska avståndet mellan ligament¹⁵. För att reglera hastigheten för jongränsskiktsdiffusion och upplösning kalibreras den applicerade spänningen noggrant. För att förhindra sprickbildning under dealloying kontrolleras Ag-upplösningshastigheten.