Méthode de synthèse pour les aérogels composites de palladium biomodèle de nanofibre de cellulose
Summary
Une méthode de synthèse pour les aérogels composites de palladium biomodèle de nanofibre de cellulose est présentée. Les matériaux composites d’aérogel résultants offrent le potentiel pour des applications de catalyse, de détection, et de stockage de gaz d’hydrogène.
Abstract
Ici, une méthode pour synthétiser les aérogels composites de palladium biomodèle de nanofibre de cellulose est présentée. Les méthodes nobles de synthèse d’aérogel de métal ont souvent comme conséquence les aérogels fragiles avec le contrôle pauvre de forme. L’utilisation de nanofibres de cellulose carboxyméthylées (CNF) pour former un hydrogel covalent et collé permet de réduire les ions métalliques tels que le palladium sur les FNC avec un contrôle sur la nanostructure et la forme macroscopique de monolithe d’aérogel après supercritique Séchage. Le croisement des nanofibres de cellulose carboxymethylated est réalisé en utilisant 1-éthyl-3-(3-dimethylaminopropyl) hydrochlorure de carbodiimide (EDC) en présence d’éthylènediamine. Les hydrogels CNF maintiennent leur forme tout au long des étapes de synthèse, y compris le rattachement covalent, l’équilibre avec les ions précurseurs, la réduction des métaux avec un agent de réduction de la concentration élevée, le rinçage dans l’eau, l’échange de solvants d’éthanol et le CO2 séchage supercritique. La variation de la concentration d’ions précurseurs du palladium permet de contrôler la teneur en métal dans le composite final d’aérogel par une réduction chimique directe des ions plutôt que de s’appuyer sur la coalescence relativement lente des nanoparticules préformées utilisées dans d’autres techniques sol-gel. Avec la diffusion comme base pour introduire et enlever les espèces chimiques dans et hors de l’hydrogel, cette méthode convient aux petites géométries en vrac et aux films minces. Caractérisation des aérogels composites nanofibre-palladium de cellulose avec microscopie électronique à balayage, diffractométrie aux rayons X, analyse gravimétrique thermique, adsorption de gaz azoté, spectroscopie électrochimique d’impédance et voltamétrie cyclique indique une surface élevée, structure poreuse du palladium métallisé.
Introduction
Les aérogels, d’abord rapportés par Kistler, offrent des ordres de grandeur poreux de structures moins denses que leurs homologues de matériel en vrac1,2,3. Les aérogels métalliques nobles ont attiré l’intérêt scientifique pour leur potentiel dans la puissance et l’énergie, les applications catalytiques et de capteurs. Les aérogels métalliques nobles ont récemment été synthétisés par deux stratégies de base. Une stratégie consiste à induire la coalescence des nanoparticules préformées4,5,6,7. La coalescence sol-gel des nanoparticules peut être entraînée par des molécules de liaison, des changements dans la force ionique de solution, ou la minimisation libre simple d’énergie de surface de nanoparticule7,8,9. L’autre stratégie consiste à former des aérogels en une seule étape de réduction des solutions de précurseurs métalliques9,10,11,12,13. Cette approche a également été utilisée pour former des aérogels métalliques nobles bimétalliques et en alliage. La première stratégie est généralement lente et peut nécessiter jusqu’à plusieurs semaines pour la coalescence des nanoparticules14. L’approche de réduction directe, bien que généralement plus rapide, souffre d’un mauvais contrôle de la forme sur le monolithe aérogel macroscopique.
Une approche de synthèse possible pour relever les défis avec le contrôle de la forme macroscopique d’aérogel en métal noble et de la nanostructure est d’employer biotemplating15. Biotemplating utilise des molécules biologiques allant du collagène, la gélatine, l’ADN, les virus, à la cellulose pour fournir un modèle de mise en forme pour la synthèse des nanostructures, où les nanostructures à base de métal résultant assumer la géométrie de la molécule modèle biologique16,17. Les nanofibres de cellulose sont attrayantes comme biotemplate étant donné l’abondance naturelle élevée des matériaux cellulosiques, leur géométrie linéaire de rapport d’aspect élevé, et la capacité de fonctionnaliser chimiquement leurs monomères de glucose18,19, 20,21,22,23. Les nanofibres de cellulose (CNF) ont été employées pour synthétiser les nanofils tridimensionnels de TiO2 pour des photoanodes24,les nanofils argentés pour l’électronique transparente de papier25,et les composites d’aérogel de palladium pour la catalyse26 . En outre, les nanofibres de cellulose tempo-oxydées ont été employées comme biotemplate et agent de réduction dans la préparation des aérogels décorés de CNF de palladium27.
Ici, une méthode pour synthétiser les aérogels composites de palladium biomodèle de nanofibre de cellulose est présentée26. Des aérogels fragiles avec un contrôle de mauvaise forme se produisent pour une gamme de méthodes de synthèse d’aérogel en métal noble. Les nanofibres de cellulose carboxyméthylées (CNF) utilisées pour former un hydrogel covalent permettent de réduire les ions métalliques tels que le palladium sur les FNC assurant le contrôle de la nanostructure et de la forme macroscopique du monolithe aérogel après un séchage supercritique. Le crosslink de nanofibre de cellulose de carboxymethylated est réalisé utilisant 1-éthyl-3-(3-dimethylaminopropyl) hydrochlorure de carbodiimide (EDC) en présence de l’éthylènediamine comme molécule de lien entre CNFs. Les hydrogels CNF maintiennent leur forme tout au long des étapes de synthèse, y compris le rattachement covalent, l’équilibre avec les ions précurseurs, la réduction des métaux avec un agent de réduction de la concentration élevée, le rinçage dans l’eau, l’échange de solvants d’éthanol et le CO2 séchage supercritique. La variation de concentration d’ions précurseurs permet de contrôler la teneur finale en métal d’aérogel par une réduction directe d’ions plutôt que de s’appuyer sur la coalescence relativement lente des nanoparticules préformées utilisées dans les méthodes de sol-gel. Avec la diffusion comme base pour introduire et enlever les espèces chimiques dans et hors de l’hydrogel, cette méthode convient aux petites géométries en vrac et aux films minces. Caractérisation des aérogels composites nanofibre-palladium de cellulose avec microscopie électronique à balayage, diffractométrie aux rayons X, analyse gravimétrique thermique, adsorption de gaz azoté, spectroscopie électrochimique d’impédance et voltamétrie cyclique indique une surface élevée, structure poreuse au palladium métalisé.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode de synthèse d’aérogel biomodèle biomodèle biomodèle de nanofibre de métal noble présentée ici a comme conséquence les composites stables d’aérogel avec la composition de métal réglable. Le relaccord covalent des nanofibres de cellulose compactées après centrifugation entraîne des hydrogels qui sont mécaniquement durables pendant les étapes de synthèse ultérieures de l’équilibre d’ion de palladium, de la réduction électrochimique, du rinçage, du solvant échange, et le séchage supercrit…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants au Dr Stephen Bartolucci et au Dr Joshua Maurer des U.S. Army Benet Laboratories pour l’utilisation de leur microscope électronique à balayage. Ce travail a été soutenu par une subvention du Fonds de recherche pour le développement des facultés de l’Académie militaire des États-Unis, À 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 |
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).
