שיטת סינתזה בתבנית מלח עבור מק'בים מקרו-צינורות מבוססי פלטינה נקבוביים
Summary
שיטת סינתזה כדי להשיג macrotubes מבוסס פלטינה נקבוביות ו macrobeams עם חתך רוחב מרובע באמצעות הפחתה כימית של תבניות מחט מלח מסיס מוצג.
Abstract
הסינתזה של ננו-חומרים מתכת אציליים נקבוביים של שטח פני השטח הגבוה מסתמכת בדרך כלל על התמזגות רבת זמן של חלקיקים שנוצרו מראש, ולאחר מכן שטיפה וצעדי ייבוש סופר קריטיים, לעתים קרובות וכתוצאה מכך חומרים שבירים מכנית. כאן, מוצגת שיטה לסנתז מקרו-תבניות מקרו-צינורות ומקרו-צינורות מבוססי פלטינה נקבוביים עם חתך רוחב מרובע מתבניות מחט מלח לא מסיסות. השילוב של פלטינה טעונה הפוכה, פלדיום, ויונים פלנר מרובע נחושת גורמת להיווצרות מהירה של מחטי מלח מסיסים. בהתאם ליחס הסטואיצ’יומטרי של יונים מתכתיים הנוכחים בתבנית המלח והבחירה של חומר להפחתת כימיקלים, גם מקרו-צינורות או מקורי מאקרו יוצרים מבנה נקבובי המורכב מחלקיקים או ננו-נבריות. הרכב אלמנטרי של macrotubes ו macrobeams, נקבע עם diffractometry רנטגן ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון רנטגן, נשלט על ידי היחס הסטואיכימטרי של יונים מתכת נוכח תבנית מלח. מקרו-צינורות וקר-בונים עשויים להלחיץ לסרטים העומדים בפני עצמה, ושטח הפנים הפעיל אלקטרוכימי נקבע עם ספקטרוסקופיה אלקטרוכימית ווולמטריה מחזורית. שיטת סינתזה זו מדגימה גישה פשוטה ומהירה יחסית להשגת מקרו-צינורות ו macrobeams מבוססי פלטינה על שטח פני שטח גבוה עם ננו-מבנה ומבנה בסיסי הניתנים לטוון, שעשויים להילחץ לסרטים העומדים בפנים ללא חומרי קשירה נדרשים.
Introduction
שיטות סינתזה רבות פותחו כדי להשיג שטח פנים גבוה, חומרים מבוססי פלטינה נקבובי בעיקר עבור יישומי זליזה כולל תאי דלק1. אסטרטגיה אחת להשגת חומרים כאלה היא לסנתז חלקיקים monodisperse בצורה של ספירות, קוביות, חוטים,וצינורות 2,3,4,5. כדי לשלב את החלקיקים הדיסקרטיים לתוך מבנה נקבובי עבור מכשיר פונקציונלי, קלסרים פולימריים ותופרי פחמןנדרשים לעתים קרובות 6,7. אסטרטגיה זו דורשת שלבי עיבוד נוספים, זמן, והוא יכול להוביל לירידה בביצועים ספציפיים מסה, כמו גם agglomeration של חלקיקים במהלך שימוש התקן מורחב8. אסטרטגיה נוספת היא להניע את ההתמזגות של חלקיקים מסונתזים לתוך ג’ל מתכת עם ייבוש סופר קריטילאחר מכן 9,10,11. בעוד התקדמות בגישת סול-ג’ל סינתזה עבור מתכות אציליות הפחיתה את זמן gelation משבועות מהר ככל שעות או דקות, מונוליתים וכתוצאה מכך נוטים להיות שביר מכנית תוך הפוגה השימוש המעשי שלהם במכשירים12.
ננו-מבנים נקבוביים רב-ממדיים סגסוגת פלטינה ורב-מתכתיים מציעים יכולת tunability לפרטיות קטלטית, כמו גם לטפל בעלות הגבוהה ובמחסור היחסי שלפלטינה 13,14. אמנם היו דיווחים רבים של פלטינה-פלדיום15,16 ופלטינה-נחושת 17,18,19 nanostructures בדדי, כמו גם שילובי סגסוגת אחרים20, היו כמה אסטרטגיות סינתזה כדי להשיג טכניקה מבוססת פתרון עבור סגסוגת פלטינה תלת ממדית ומבנים רב מתכתיים.
לאחרונה הראינו את השימוש בפתרונות מלח בריכוז גבוה והפחתת סוכנים להניב במהירות זהב, פלדיום, וג’לים מתכתפלטינה 21,22. פתרונות מלח בריכוז גבוה והפחתת סוכנים שימשו גם סינתזה biopolymer נובל מתכת מרוכבים באמצעות ג’לטין, תאית, משי23,24,25,26. מלחים מסיסים מייצגים את הריכוזים הגבוהים ביותר של יונים זמינים להיות מופחתים שימשו על ידי Xiao ועמיתיו כדי להדגים את הסינתזה של תחמוצות מתכת דו מימדי27,28. הרחבת על ההדגמה של aerogels מתכת אצילית נקבובי ומרוכבים מפתרונות מלח בריכוז גבוה, ומינוף הצפיפות הגבוהה של יונים זמינים של מלחים מסיסים, השתמשנו מלחים ונגזרות של מגנוס כתבניות צורה לסנתז מקרו נקבוביותמתכת אצילית מקרובות מקרו-בונים 29,30,31,32.
מלחי מגנוס מתאספים מהתוספת של יוני פלטינה מרובעים טעונים הפוכה [PtCl4]2- ו- [Pt(NH3)4]2+ 33. באופן דומה, מלחי ווקלין נוצרים מהשילוב של יונים פלדיום טעונים הפוך, [PdCl4]2- ו- [Pd(NH3)4]2+ 34. עם ריכוזי מלח מבשר של 100 mM, גבישי מלח וכתוצאה מכך טופס מחטים 10s כדי 100s של מיקרומטר ארוך, עם רוחב מרובע כ 100 מיליומטר עד 3 μm. בעוד תבניות המלח הן נייטרליות, משתנות את נגזרות המלח של מגנוס בין מיני יון, כדי לכלול [Cu(NH3)4]2+, מאפשר שליטה על יחסי מתכת מופחתים וכתוצאה מכך. השילוב של יונים, ואת הבחירה של חומר הפחתת כימית, לגרום או macrotubes או macrobeams עם חתך רוחב מרובע ננו מבנה נקבובי המורכב חלקיקים מותכים או nanofibrils. מקרו-צינורות וקר-בונים נלחצו גם הם לסרטים העומדים בפני עצמה, ושטח הפנים הפעיל אלקטרוכימי נקבע עם ספקטרוסקופיה אלקטרוכימית ווולמטריה מחזורית. הגישה של תבנית המלח שימשה לסנתזמקרו-צינורות פלטינה 29, מקרופאימאקרו פלטינה-פלדיום 31, ובניסיון להפחית את עלויות החומר ולכוון את הפעילות הקטלית על ידי שילוב מקרו-צינורות נחושת, נחושת-פלטינה32. שיטת המפתה מלח הוכחה גם עבור Au-Pd ו Au-Pd-Cu מקרו-צינורות מתכת בינאריים וtternary מתכתוננו קנים 30.
כאן, אנו מציגים שיטה לסנתז פלטינה, פלטינה-פלדיום, ונחושת פלטינה דו מתכתית מקרו-צינורות נקבוביים מקרני מקרו מסיסים של מגנוס תבניותמחט מלח 29,31,32. שליטה על הסטואיכיומטריה היונית בתבניות מחט המלח מספקת שליטה על יחסי מתכת כתוצאה מכך לאחר הפחתה כימית, ניתן לאמת עם diffractometry רנטגן ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון רנטגן. ניתן להרכיב את המאקרו-תובנות ומאיקרו-תותב וכתוצאה מכך לסרט העומד בפנים עם לחץ ידיים. הסרטים המתוואמים מציגים אזורי פנים פעילים אלקטרוכימיים גבוהים (ECSA) שנקבעו על ידי ספקטרוסקופיה מכשול אלקטרוכימי וולטמטריה מחזורית ב H2SO4 ו אלקטרוליט KCl. שיטה זו מספקת נתיב סינתזה לשליטה על הרכב מתכת מבוסס פלטינה, נקבוביות, nanoosity, ו nanostructure באופן מהיר ומדרגי שעשוי להיות להכללה למגוון רחב יותר של תבניות מלח.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת סינתזה זו מדגימה גישה פשוטה ומהירה יחסית להשגת מקרו-צינורות ו macrobeams מבוססי פלטינה על שטח פני שטח גבוה עם ננו-מבנה ומבנה בסיסי הניתנים לטוון, שעשויים להילחץ לסרטים העומדים בפנים ללא חומרי קשירה נדרשים. השימוש נגזרות מלח של מגנוס כמו תבניות בצורת מחט יחס גובה-רוחב גבוה מספק את האמצעים ל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי מענק קרן מחקר לפיתוח הפקולטה הצבאית של האקדמיה הצבאית של ארצות הברית. המחברים אסירי תודה על עזרתו של ד”ר כריסטופר היינס בפיקוד פיתוח יכולות לחימה של צבא ארה”ב. המחברים רוצים גם להודות ד”ר יהושע מאורר על השימוש FIB-SEM במרכז CCDC-חימוש צבא ארה”ב ב Watervliet, ניו יורק.
Materials
| 50 mL Conical Tubes | Corning Costar Corp. | 430290 | |
| Ag/AgCl Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
| Cu(NH3)4SO4Ÿ•H2O | Sigma-Aldrich | 10380-29-7 | |
| dimethylamine borane (DMAB) | Sigma-Aldrich | 74-94-2 | |
| K2PtCl4 | Sigma-Aldrich | 10025-99-7 | |
| Miccrostop Lacquer | Tober Chemical Division | NA | |
| Na2PdCl4 | Sigma-Aldrich | 13820-40-1 | |
| NaBH4 | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | |
| Polarized Optical Microscope | AmScope | PZ300JC | |
| Potentiostat | Biologic-USA | VMP-3 | Electrochemical analysis-EIS, CV |
| Pt wire electrode | BASi | MF-4130 | |
| Pt(NH3)4Cl2Ÿ•H2O | Sigma-Aldrich | 13933-31-8 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Helios 600 | EDS performed with this SEM |
| Shelf Rocker | Thermo Scientific | Vari-Mix™ Platform Rocker | |
| Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 1.7 mL | Cole Parmer | UX-06333-60 | |
| X-ray diffractometer | PanAlytical | Empyrean | X-ray diffractometry |
| X-ray photoelectron spectrometer | ULVAC PHI – Physical Electronics | VersaProbe III |
References
- Chen, A., Holt-Hindle, P. Platinum-Based Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Applications. Chemical Reviews. 110 (6), 3767-3804 (2010).
- Narayanan, R., El-Sayed, M. A. Shape-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanoparticles in Colloidal Solution. Nano Letters. 4 (7), 1343-1348 (2004).
- Wang, C., Daimon, H., Onodera, T., Koda, T., Sun, S. A General Approach to the Size and Shape-Controlled Synthesis of Platinum Nanoparticles and Their Catalytic Reduction of Oxygen. Angewandte Chemie International Edition. 47 (19), 3588-3591 (2008).
- Song, Y., et al. Synthesis of Platinum Nanowire Networks Using a Soft Template. Nano Letters. 7 (12), 3650-3655 (2007).
- Liu, L., Yoo, S. H., Park, S. Synthesis of Vertically Aligned Hollow Platinum Nanotubes with Single Crystalline Nanoflakes. Chemistry of Materials. 22 (8), 2681-2684 (2010).
- Ehrburger, P., Mahajan, O. P., Walker, P. L. Carbon as a support for catalysts: I. Effect of surface heterogeneity of carbon on dispersion of platinum. Journal of Catalysis. 43 (1), 61-67 (1976).
- Liu, H. S., et al. A review of anode catalysis in the direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources. 155 (2), 95-110 (2006).
- Zhang, S., et al. A review of platinum-based catalyst layer degradation in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources. 194 (2), 588-600 (2009).
- Wei, L., et al. Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 52 (37), 9849-9852 (2013).
- Liu, W., et al. Noble Metal Aerogels-Synthesis, Characterization, and Application as Electrocatalysts. Accounts of Chemical Research. 48 (2), 154-162 (2015).
- Naskar, S., et al. Porous Aerogels from Shape-Controlled Metal Nanoparticles Directly from Nonpolar Colloidal Solution. Chemistry of Materials. 29 (21), 9208-9217 (2017).
- Du, R., et al. Emerging Noble Metal Aerogels: State of the Art and a Look Forward. Matter. 1 (1), 39-56 (2019).
- Qiu, X., et al. Template-engaged synthesis of hollow porous platinum–palladium alloy nanospheres for efficient methanol electro-oxidation. Journal of Power Sources. 302, 195-201 (2016).
- Yamauchi, Y., et al. Electrochemical Synthesis of Mesoporous Pt–Au Binary Alloys with Tunable Compositions for Enhancement of Electrochemical Performance. Journal of the American Chemical Society. 134 (11), 5100-5109 (2012).
- Lim, B., et al. Twin-Induced Growth of Palladium–Platinum Alloy Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 48 (34), 6304-6308 (2009).
- Lim, B., et al. Pd-Pt Bimetallic Nanodendrites with High Activity for Oxygen Reduction. Science. 324 (5932), 1302-1305 (2009).
- Han, L., et al. A seed-mediated approach to the morphology-controlled synthesis of bimetallic copper-platinum alloy nanoparticles with enhanced electrocatalytic performance for the methanol oxidation reaction. Journal of Power Sources. 286, 488-494 (2015).
- Xu, C., et al. Nanotubular Mesoporous PdCu Bimetallic Electrocatalysts toward Oxygen Reduction Reaction. Chemistry of Materials. 21 (14), 3110-3116 (2009).
- Xu, D., et al. Solution-Based Evolution and Enhanced Methanol Oxidation Activity of Monodisperse Platinum-Copper Nanocubes. Angewandte Chemie International Edition. 48 (23), 4217-4221 (2009).
- Stamenkovic, V. R., et al. Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability. Science. 315 (5811), 493-497 (2007).
- 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. Journal of Visualized Experiments. (136), e57875 (2018).
- Burpo, F. J., Mitropoulos, A. N., Nagelli, E. A., Ryu, M. Y., Palmer, J. L. Gelatin biotemplated platinum aerogels. MRS Advances. , 1-6 (2018).
- Burpo, F., et al. Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Molecules. 23 (6), 1405 (2018).
- Burpo, F. J., et al. Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels. Journal of Visualized Experiments. (147), e59176 (2019).
- Mitropoulos, A. N., et al. Metal Composite Porous Silk Fibroin Aerogel Fibers. Materials. 12 (6), 894 (2019).
- Xiao, X., et al. Salt-Templated Synthesis of 2D Metallic MoN and Other Nitrides. ACS Nano. 11 (2), 2180-2186 (2017).
- Xiao, X., et al. Scalable salt-templated synthesis of two-dimensional transition metal oxides. Nature Communications. 7, 11296 (2016).
- Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Hierarchically Porous Platinum Macrotube Synthesis. Chemistry Select. 3 (16), 4542-4546 (2018).
- Burpo, F., Nagelli, E., Morris, L., Woronowicz, K., Mitropoulos, A. Salt-Mediated Au-Cu Nanofoam and Au-Cu-Pd Porous Macrobeam Synthesis. Molecules. 23 (7), 1701 (2018).
- Burpo, F. J., et al. Salt-templated platinum-palladium porous macrobeam synthesis. MRS Communications. 9 (1), 280-287 (2019).
- Burpo, F. J., et al. Salt-Templated Platinum-Copper Porous Macrobeams for Ethanol Oxidation. Catalysts. 9 (8), 662 (2019).
- Magnus, G. Ueber einige Verbindungen des Platinchlorürs. Annalen der Physik. 90 (10), 239-242 (1828).
- Vauquelin, N. L. Memoire sur le Palladium et le Rhodium. Annales de Chimie. 88, 167-198 (1813).
- Bremi, J., et al. From Vauquelin’s and Magnus’ Salts to Gels, Uniaxially Oriented Films, and Fibers: Synthesis, Characterization, and Properties of Tetrakis(1-aminoalkane)metal(II) Tetrachlorometalates(II). Chemistry of Materials. 11 (4), 977-994 (1999).
- Bremi, J., Caseri, W., Smith, P. A new compound derived from Magnus’ green salt: solid state structure and evidence for platinum chains in solution. Journal of Materials Chemistry. 11 (10), 2593-2596 (2001).
- Caseri, W. Derivatives of Magnus’ Green Salt. Platinum Metals Review. 48 (3), 91 (2004).
