Метод синтеза целлюлозы Нанофибр биошаблонированных палладий композитных аэрогелей
Summary
Представлен метод синтеза целлюлозы нановолокна биошаблонированных композитных аэрогелей палладия. Полученные в результате композитные аэрогелиматериалы могут быть связаны с катализом, зондированием и применением водородного газа.
Abstract
Здесь представлен метод синтеза целлюлозы нановолокна биошаблонированных композитных аэрогелей палладия. Благородные методы синтеза аэрогеля металла часто приводят к хрупким аэрогелям с плохим контролем формы. Использование карбоксиметилированной целлюлозы нановолокна (CNFs) для формирования ковалентно кабального гидрогеля позволяет сократить металлические ионы, такие как палладий на CNFs с контролем над наноструктурой и макроскопической формой монолита аэрогеля после сверхкритической Сушки. Перекрестное соединение карбоксиметилированного целлюлозы нановолокна достигается с помощью 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиамида гидрохлорида (ЭДК) в присутствии этиленедиамин. Гидрогели CNF поддерживают свою форму на протяжении всего синтеза этапов, включая ковалентные перекрестные ссылки, уравновешенности с ионами прекурсоров, снижение металла с высокой концентрацией, ополчивание в воде, обмен растворителя этанола, и CO2 сверхкритической сушки. Изменение концентрации ионного прекурсора палладия позволяет контролировать содержание металла в окончательном аэрогелевом композите путем прямого сокращения ионного химического вещества, а не полагаться на относительно медленный конесценцию предварительно сформированных наночастиц, используемых в других соль-гель методы. С диффузией в качестве основы для внедрения и удаления химических видов в и из гидрогеля, этот метод подходит для небольших объемных геометрий и тонких пленок. Характеристика целлюлозы нанофибры-палладия композитных аэрогелей со сканирующей электронной микроскопией, рентгеновской диффрактометрией, термическим гравиметрическим анализом, адсорпированием азотного газа, электрохимической спектроскопией импеданса и циклической вольтэмметрией указывает на высокую площадь поверхности, металлизированную пористую структуру палладия.
Introduction
Aerogels, впервые сообщил Кистлер, предлагают пористые структуры порядка величины менее плотной, чем их коллеги сыпучих материалов1,2,3. Благородные металлические аэрогели привлекают научный интерес к их потенциалу в области энергетики и энергии, каталитических и сенсорных приложений. Благородные металлические аэрогели недавно были синтезированы с помощью двух основных стратегий. Одна из стратегий заключается в том, чтобывызвать слияние предварительно сформированных наночастиц 4,5,6,7. Слияние наночастиц из соль-геля может определяться молекулами связующим звеном, изменениями в ионнойпрочности раствора или простой наночастицой поверхности свободной энергии минимизации 7,8,9. Другая стратегия заключается в формировании аэрогелей в одномшаге к сокращению от металлических решений прекурсоров 9,10,11,12,13. Этот подход также был использован для формирования биметаллических и сплавов благородных металлических аэрогелей. Первая стратегия, как правило, медленно и может потребовать до многих недель для наночастиц coalescence14. Подход прямого сокращения, хотя, как правило, более быстрый, страдает от плохого контроля формы над макроскопическим моногелем аэрогеля.
Один из возможных подходов синтеза для решения проблем с контролем благородного металла аэрогеля макроскопической формы и наноструктуры заключается в использовании биотемпляции15. Биотемпляция использует биологические молекулы, начиная от коллагена, желатина, ДНК, вирусов, до целлюлозы, чтобы обеспечить шаблон направления формы для синтеза наноструктур, где в результате металлические наноструктуры берут на геометрию биологический шаблон молекулы16,17. Целлюлозные нановолокна привлекательны как биошаблон, учитывая высокое естественное изобилие целлюлозных материалов, их высокое соотношение сторон линейной геометрии, и способность химически функционализации их глюкозы мономеры18,19, 20,21,22,23. Целлюлозные нановолокна (CNF) были использованы для синтеза трехмерных TiO2 нанопроводов для фотоанодов24, серебряные нанопровода для прозрачной бумажной электроники25, и палладий аэрогеля композиты для катализа26 . Кроме того, tempo-окисленные нановолокна целлюлозы были использованы как в качестве биошаблона, так и в качестве редуктора при приготовлении палладия, украшенного аэрогелями CNF27.
Здесь, метод синтеза целлюлозы нановолокна биошаблонированных палладия композитных аэрогелей представлен26. Хрупкие аэрогели с плохим управлением формой происходит для диапазона благородных методов синтеза металлического аэрогеля. Carboxymethylated целлюлозных нановолокон (CNFs), используемых для формирования ковалентного гидрогеля позволяют сокращение ионов металла, таких как палладий на CNFs, обеспечивая контроль над наноструктурой и макроскопической форме монолита аэрогеля после сверхкритической сушки. Карбоксиметилированный целлюлозно-волокнистый перекрестное соединение достигается с помощью 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимидгидродида гидрохлорида (EDC) в присутствии этиленедиамин в качестве связующее молекулы между CNFs. Гидрогели CNF поддерживают свою форму на протяжении всего синтеза этапов, включая ковалентные перекрестные ссылки, уравновешенности с ионами прекурсоров, снижение металла с высокой концентрацией, ополчивание в воде, обмен растворителя этанола, и CO2 сверхкритической сушки. Прекурсории ионной концентрации изменения позволяет контролировать окончательное содержание аэрогеля металла через прямое сокращение иона, а не полагаться на относительно медленное слияние предварительно сформированных наночастиц, используемых в методах соль-гель. С диффузией в качестве основы для внедрения и удаления химических видов в и из гидрогеля, этот метод подходит для небольших объемных геометрий и тонких пленок. Характеристика целлюлозы нанофибры-палладия композитных аэрогелей со сканирующей электронной микроскопией, рентгеновской диффрактометрией, термическим гравиметрическим анализом, адсорпированием азотного газа, электрохимической спектроскопией импеданса и циклической вольтэмметрией указывает на высокую площадь поверхности, металлизированную пористую структуру палладия.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленный здесь благородный метод синтеза нановолокна целлюлозы нановолокна приводит к стабильному аэрогелю композитов с настраиваемым металлическим составом. Ковалентное перекрестное соединение уплотненных целлюлозных нановолокон после центрифугирования приводит к гидрог…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарны доктору Стивену Бартолуччи и доктору Джошуа Мауреру в Лаборатории Бенета армии США за использование их сканирующего электронного микроскопа. Эта работа была поддержана грантом Фонда исследований развития факультета от Военной академии Соединенных Штатов в Вест-Пойнте.
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).
