Alsidig teknik til at producere et hierarkisk design i nanoporøst guld

Ofte set i naturen er hierarkiske porøse arkitekturer blevet efterlignet på nanoskala for at ændre materialernes fysiske egenskaber for forbedret ydeevne¹. Sammenkoblede strukturelle elementer af forskellige længdeskalaer er karakteristiske for den hierarkiske arkitektur af porøse materialer². Delegerede nanoporøse metaller har typisk unimodale porestørrelsesfordelinger; Derfor er der udviklet flere teknikker til at producere hierarkisk bimodale porøse strukturer med to separate porestørrelsesintervaller³. De to grundlæggende mål for materialedesignmetoden, nemlig det store specifikke overfladeareal til funktionalisering og hurtige transportveje, som er forskellige og i sagens natur i konflikt med hinanden, opfyldes af funktionelle materialer, der besidder strukturhierarki ^4,5.

Den elektrokemiske sensors ydeevne bestemmes af elektrodemorfologien, da nanomatrixens porestørrelse er afgørende for molekylær transport og indfangning. Små porer har vist sig at hjælpe med målidentifikation i komplicerede prøver, mens større porer forbedrer målmolekylets tilgængelighed, hvilket øger sensorens detekteringsområde⁶. Den skabelonbaserede fabrikation, galvanisering, bottom-up syntetisk kemi, tyndfilmsputtering aflejring⁷, komplekse fleksible matricer baseret på polydimethylsiloxanstøtte⁸, legering af forskellige metaller efterfulgt af selektiv ætsning af det mindre ædelmetal og elektrodeposition er nogle af de metoder, der ofte bruges til at indføre nanostrukturer i elektroden. En af de bedste metoder til at skabe porøse strukturer er delegeringsproceduren. På grund af forskellen i opløsningshastigheder påvirker offermetallet, som er det mindre ædelmetal, signifikant elektrodens endelige morfologi. Et sammenkoblet netværk af porer og ledbånd skyldes den effektive proces med at skabe nanoporøse guldstrukturer (NPG), hvor den mindre ædle komponent selektivt opløses ud af startlegeringen, og de resterende atomer omorganiserer og konsoliderer⁹.

Metoden til delegering / plettering / genlegering, der blev brugt af Ding og Erlebacher til at fremstille disse nanostrukturer, involverede først at udsætte forløberlegeringen sammensat af guld og sølv for kemisk delegering ved hjælp af salpetersyre, efterfulgt af opvarmning ved en højere temperatur med en enkelt porestørrelsesfordeling for at skabe det øvre hierarkiske niveau og fjerne det resterende sølv ved hjælp af en anden delegering for at producere det lavere hierarkiske niveau. Denne metode kunne anvendes på tynde film¹⁰. Brug af ternære legeringer, der består af to forholdsvis mere reaktive ædelmetaller, der eroderes væk en ad gangen, blev anbefalet af Biener et al.; Cu og Ag blev oprindeligt fjernet fra Cu-Ag-Au-materialet og efterlod bimodalt strukturerede NPG-prøver med lav densitet¹¹. Langtrækkende ordnede strukturer produceres ikke ved de procedurer, der er skitseret ved hjælp af ternære legeringer. Større porer blev produceret ved at udvinde en af faserne i masterlegeringen af Al-Au anvendt af Zhang et al., Som producerede den bimodale struktur med en minimal grad af orden¹². En ordnet hierarkisk struktur er angiveligt blevet skabt ved at kontrollere flere længdeskalaer ved hjælp af behandlingsveje, der inkluderer demontering af bulkmaterialer og sammenlægning af basiskomponenter i større strukturer. I dette tilfælde blev en hierarkisk NPG-struktur lavet via direkte blækskrivning (DIW), legering og delegering¹³.

Her præsenteres en to-trins delegeringsmetode til fremstilling af en hierarkisk bimodal nanoporøs guldstruktur (hb-NPG), der anvender forskellige Au-Ag-legeringssammensætninger. Mængden af reaktivt element, under hvilket delegering stopper, er i teorien skillegrænsen. Overfladediffusionskinetikken påvirkes lidt af skillegrænsen eller delegeringstærsklen, som typisk er mellem 50 og 60 atomprocent for elektrolytisk opløsning af den mere reaktive komponent fra en binær legering. En stor atomfraktion af Ag i Au:Ag-legeringen er nødvendig for en vellykket syntese af hb-NPG, da både de elektrokemiske og kemiske delegeringsprocesser ikke kan gennemføres med succes ved lave koncentrationer nær skillegrænsen¹⁴.

Fordelen ved denne metode er, at strukturen og porestørrelsen kan kontrolleres tæt. Hvert trin i protokollen er afgørende for finjustering af den typiske porøsitetslængdeskala og den typiske afstand mellem ledbånd¹⁵. For at regulere hastigheden af iongrænsefladediffusion og opløsning kalibreres den påførte spænding omhyggeligt. For at forhindre revner under delegering kontrolleres Ag-opløsningshastigheden.