Een salt-templated synthesemethode voor op poreuze platina gebaseerde macrobalken en macrobuisjes

Er zijn tal van synthesemethoden ontwikkeld om materialen met een hoog oppervlak te verkrijgen, poreuze op platina gebaseerde materialen, voornamelijk voor katalysetoepassingen, waaronder brandstofcellen¹. Een strategie om dergelijke materialen te bereiken is het synthetiseren van monodisperse nanodeeltjes in de vorm van bollen, kubussen, draden en buizen^2,3,4,5. Om de afzonderlijke nanodeeltjes te integreren in een poreuze structuur voor een functioneel apparaat, zijn vaak polymere bindmiddelen en koolstofadditieven vereist^6,7. Deze strategie vereist extra verwerkingsstappen, tijd en kan leiden tot een afname van de massaspecifieke prestaties, evenals agglomeratie van nanodeeltjes tijdens langdurig apparaatgebruik⁸. Een andere strategie is om de coalescence van gesynthetiseerde nanodeeltjes te drijven in een metalen gel met daaropvolgende superkritische drogen^9,10,11. Terwijl de vooruitgang in de sol-gel synthese benadering voor edele metalen heeft verminderd gelatie tijd van weken tot zo snel als uren of minuten, de resulterende monolieten hebben de neiging om mechanisch kwetsbaar belemmeren hun praktische gebruik in apparaten¹².

Platinalegering en multimetaal 3-dimensionale poreuze nanostructuren bieden nietigheid voor katalytische specificiteit en pakken de hoge kosten en relatieve schaarste van platina^13,14aan . Hoewel er tal van meldingen van platina-palladium^15,16 en platina-koper^17,18,19 discrete nanostructuren, evenals andere legering combinaties²⁰, zijn er weinig synthese strategieën om een oplossing op basis van techniek voor 3-dimensionale platina legering en multi-metalen structuren te bereiken.

Onlangs hebben we aangetoond dat het gebruik van hoge concentratie zout oplossingen en het verminderen van middelen om snel goud, palladium, en platina metalen gels^21,22. De zoutoplossingen met hoge concentratie en reducerende middelen werden ook gebruikt bij het synthetiseren van biopolymeer edele metalen composieten met gelatine, cellulose en zijde^23,24,25,26. Onoplosbare zouten vertegenwoordigen de hoogste concentraties van ionen die beschikbaar zijn om te worden verminderd en werden door Xiao en collega’s gebruikt om de synthese van 2-dimensionale metaaloxiden^27,28aan te tonen . Uitbreiding van de demonstratie van poreuze edele metalen aerogels en composieten uit hoge concentratie zout oplossingen, en gebruik te maken van de hoge dichtheid van de beschikbare ionen van onoplosbare zouten, gebruikten we Magnus ‘zouten en derivaten als vorm sjablonen om poreuze edele metalen macrotubes en macrostralen^{29,30, 31,32}te synthetiseren .

Magnus’ zouten verzamelen zich uit de toevoeging van tegengesteld geladen vierkante vlakke platina ionen [PtCl₄]^2- en [Pt(NH₃)₄]^{2+ 33}. Op dezelfde manier komen de zouten van Vauquelin voort uit de combinatie van tegengesteld geladen palladiumionen, [PdCl₄]^2- en [Pd(NH₃)₄]^{2+ 34}. Met voorloperzoutconcentraties van 100 mM vormen de resulterende zoutkristallen naalden 10s tot 100s micrometer lang, met vierkante breedtes van ongeveer 100 nm tot 3 μm. Terwijl de zout-sjablonen zijn lading neutraal, het variëren van de Magnus ‘zout derivaten stoichiometrie tussen ionensoorten, op te nemen [Cu (NH_{(NH 3})₄]^{2 +}, maakt controle over de resulterende verminderde metaalverhoudingen. De combinatie van ionen, en de keuze van chemische reducerende agent, resulteren in macrobuisjes of macrobeams met een vierkante dwarsdoorsnede en een poreuze nanostructuur bestaande uit gesmolten nanodeeltjes of nanofibrils. Macrobuisjes en macrostralen werden ook in vrijstaande films geperst en elektrochemisch actieve oppervlakte werd bepaald met elektrochemische impedantiespectroscopie en cyclische voltammetrie. De zoutsjabloonbenadering werd gebruikt om platina macrobuisjes²⁹, platina-palladium macrobeams³¹te synthetiseren , en in een poging om de materiaalkosten te verlagen en katalytische activiteit af te stemmen door koper, koper-platina macrobuizen³²op te nemen . De zout-templating methode werd ook aangetoond voor Au-Pd en Au-Pd-Cu binaire en ternaire metalen macrobuizen en nanofoams³⁰.

Hier presenteren we een methode om platina, platina palladium en koper-platina bi-metallic poreuze macrobuisjes en macrobalken te synthetiseren van onoplosbare Magnus’ zoutnaald sjablonen^29,31,32. Controle van de ionenstometrie in de zoutnaaldensjablonen biedt controle over de resulterende metaalverhoudingen na chemische reductie en kan worden geverifieerd met röntgendifractometrie en röntgenfoto-spectroscopie. De resulterende macrobuisjes en macrostralen kunnen worden geassembleerd en gevormd tot een vrijstaande film met handdruk. De resulterende films vertonen hoge elektrochemisch actieve oppervlaktes (ECSA) bepaald door elektrochemische impedantiespectroscopie en cyclische voltammetrie in H₂SO₄ en KCl elektrolyt. Deze methode biedt een syntheseroute om de metaalsamenstelling, porositeit en nanostructuur op basis van platina te regelen op een snelle en schaalbare manier die generaliserend kan zijn voor een breder scala aan zoutsjablonen.