Универсальная технология создания иерархической конструкции из нанопористого золота

Часто наблюдаемые в природе иерархические пористые архитектуры имитировались на наноуровне для изменения физических характеристик материалов для улучшения характеристик¹. Взаимосвязанные конструктивные элементы различных масштабов длины являются характерной чертой иерархической архитектуры пористых материалов². Легированные нанопористые металлы обычно имеют унимодальное распределение пор по размерам; Следовательно, было разработано несколько методов для получения иерархически бимодальных пористых структур с двумя отдельными диапазонами размеров пор³. Две фундаментальные цели подхода к проектированию материалов, а именно большая удельная площадь поверхности для функционализации и быстрые пути переноса, которые различны и по своей сути конфликтуют друг с другом, выполняются функциональными материалами, обладающими структурной иерархией ^4,5.

Производительность электрохимического датчика определяется морфологией электрода, поскольку размер пор наноматрицы имеет решающее значение для молекулярного транспорта и захвата. Было обнаружено, что небольшие поры помогают идентифицировать цель в сложных образцах, тогда как более крупные поры повышают доступность молекулы-мишени, увеличивая дальность обнаружения^{датчика 6}. Изготовление на основе шаблонов, гальваника, синтетическая химия снизу вверх, осаждение из тонкопленочного распыления 7, сложные гибкие матрицы на основе полидиметилсилоксановой подложки⁸, легирование различных металлов с последующим селективным травлением менее благородного металла и электроосаждение – вот некоторые^из методов, которые часто используются для введения наноструктур в электрод. Одним из лучших методов создания пористых структур является процедура легирования. Из-за разницы в скоростях растворения жертвенный металл, который является менее благородным металлом, существенно влияет на конечную морфологию электрода. Взаимосвязанная сеть пор и связок является результатом эффективного процесса создания нанопористых золотых структур (NPG), в котором менее благородный компонент избирательно растворяется из исходного сплава, а оставшиеся атомы реорганизуются и консолидируются⁹.

Метод легирования/гальванического покрытия/повторного легирования, используемый Дингом и Эрлебахером для создания этих наноструктур, включал сначала подвергание сплава-предшественника, состоящего из золота и серебра, химическому легированию с использованием азотной кислоты с последующим нагреванием при более высокой температуре с одним распределением пор по размерам для создания верхнего иерархического уровня и удаление оставшегося серебра с использованием второго легирования для получения нижнего иерархического уровня. Этот метод был применим к тонким пленкам¹⁰. Бинер и др. посоветовали использовать тройные сплавы, которые состоят из двух сравнительно более реакционноспособных благородных металлов, которые размываются по одному; Cu и Ag были первоначально удалены из материала Cu-Ag-Au, оставив после себя бимодально структурированные образцы NPG низкой плотности¹¹. Дальнобойные упорядоченные структуры не производятся с помощью описанных процедур с использованием тройных сплавов. Более крупные поры были получены путем извлечения одной из фаз лигатуры Al-Au, используемой Zhang et al., которая произвела бимодальную структуру с минимальной степенью порядка¹². Сообщается, что упорядоченная иерархическая структура была создана путем управления несколькими шкалами длины за счет использования путей обработки, которые включают разборку сыпучих материалов и объединение основных компонентов в более крупные структуры. В этом случае иерархическая структура NPG была получена с помощью прямого чернильного письма (DIW), легирования и легирования¹³.

Здесь представлен двухстадийный метод легирования для получения иерархической бимодальной структуры нанопористого золота (hb-NPG) с использованием различных составов сплавов Au-Ag. Количество реакционноспособного элемента, ниже которого прекращается легирование, теоретически является пределом расставания. На кинетику поверхностной диффузии незначительно влияет предел разъединения или порог разлегания, который обычно составляет от 50 до 60 атомных процентов для электролитического растворения более реакционноспособного компонента из бинарного сплава. Большая атомная доля Ag в сплаве Au:Ag необходима для успешного синтеза hb-NPG, поскольку как электрохимический, так и химический процессы легирования не могут быть успешно завершены при низких концентрациях вблизи предела разделения¹⁴.

Преимущество этого метода заключается в том, что структуру и размер пор можно жестко контролировать. Каждый шаг в протоколе имеет решающее значение для точной настройки типичной шкалы длины пористости и типичного расстояния между связками¹⁵. Чтобы регулировать скорость межфазной диффузии и растворения ионов, приложенное напряжение тщательно калибруется. Для предотвращения растрескивания при легировании контролируется скорость растворения Ag.