Metodo di sintesi per Cellulosa Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Gli aerogel, riportati per la prima volta da Kistler, offrono strutture porose ordini di grandezza meno densi rispetto alle loro controparti di materiale sfuso^1,2,3. Nobili aerogel metallici hanno attirato l’interesse scientifico per il loro potenziale nelle applicazioni di energia ed energia, catalitiche e sensori. Nobili aerogel metallici sono stati recentemente sintetizzati attraverso due strategie di base. Una strategia consiste nell’indurre la coalescenza delle nanoparticelle preformate^4,5,6,7. La coalescenza Sol-gel delle nanoparticelle può essere guidata da molecole del linker, cambiamenti nella resistenza ionica della soluzione o semplice minimizzazione dell’energia libera dalle nanoparticelle^7,8,9. L’altra strategia è quella di formare aerogel in un’unica fase di riduzione dalle soluzioni precursori di metalli^{9,10,11,12,13}. Questo approccio è stato utilizzato anche per formare aerogel metallici nobili bimetallici e leganti. La prima strategia è generalmente lenta e può richiedere fino a molte settimane per la coalescenza delle nanoparticelle¹⁴. L’approccio di riduzione diretta, anche se generalmente più rapido, soffre di scarso controllo della forma sul monolite aerogel macroscopico.

Un possibile approccio di sintesi per affrontare le sfide con il controllo della forma macroscopica aerogel metallico nobile e nanostruttura è quello di impiegare biotemplating¹⁵. La biotemplazione utilizza molecole biologiche che vanno dal collagene, gelatina, DNA, virus, alla cellulosa per fornire un modello di direttore la forma per la sintesi delle nanostrutture, dove le nanostrutture a base di metallo risultanti assumono la geometria del molecola modello biologico^16,17. Le nanofibre di cellulosa sono attraenti come un biomodello data l’elevata abbondanza naturale di materiali cellulosici, la loro alta geometria lineare rapporto di aspetto, e la capacità di funzionalizzare chimicamente i loro monomeri di glucosio^{18,19, 20,21,22,23}. Le nanofibre di cellulosa (CNF) sono state utilizzate per sintetizzare nanofili tridimensionali TiO₂ per fotoanodi²⁴, nanofili d’argento per l’elettronica di carta trasparente²⁵e compositi di aerogel di palladio per la catalisi²⁶ . Inoltre, le nanofibre di cellulosa TEMPO-ossidato sono state utilizzate sia come biomodello che come agente di riduzione nella preparazione di aerogel CNF decorati con palladio²⁷.

Qui, un metodo per sintetizzare cellulosa nanofibra biotemplate aerogel compositi palladio è presentato²⁶. Aerogel fragili con scarso controllo della forma si verifica per una gamma nobile metodi di sintesi aerogel metallico. Le nanofibre di cellulosa (CnF) di Carboxymethylalate utilizzate per formare un idrogel covalente consentono la riduzione degli ioni metallici come il palladio sui CNF, fornendo il controllo sia sulla nanostruttura che sulla forma monolitica aerogel macroscopica dopo l’essiccazione supercritica. Carboxymethylated cellulated nanofiber crosslinking si ottiene utilizzando 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide idroclorare (EDC) in presenza di etilenedia come molecola linker tra CNF. Gli idrogel CNF mantengono la loro forma durante le fasi di sintesi, tra cui il crosslinking covalente, la riduzione con ioni precursori, la riduzione dei metalli con agente riducente ad alta concentrazione, il risciacquo in acqua, lo scambio di solventi etanolo e la CO2 essiccazione supercritica. La variazione di concentrazione di ioni precursori consente di controllare il contenuto finale di metalli aerogel attraverso una riduzione diretta degli ioni piuttosto che basarsi sulla coalescenza relativamente lenta delle nanoparticelle preformate utilizzate nei metodi sol-gel. Con la diffusione come base per introdurre e rimuovere le specie chimiche in entrata e in uscita dall’idrogel, questo metodo è adatto per geometrie di massa più piccole e pellicole sottili. Caratterizzazione degli aerogel compositi di cellulosa nanofibra-palladio con microscopia elettronica a scansione, diffractometria a raggi X, analisi termo-gravimetrica, adsorbizione del gas di azoto, spettroscopia impedibile elettrochimica e tensione ciclica indica una superficie elevata, struttura porosa di palladio metallizzata.