多孔質白金ベースマクロビームおよびマクロチューブの塩鋳合成法

高い表面積を得るために数多くの合成方法が開発されているが、主に燃料電池¹を含む触媒用途用の白金系多孔質系材料である。このような材料を達成するための1つの戦略は、単分散ナノ粒子を球体、立方体、電線、チューブ^{2、3、4、5}の形で合成^{することです}。離散ナノ粒子を機能デバイス用の多孔質構造に統合するために、ポリマー結合剤および炭素添加剤が^{しばしば6,7を}必要とする。この戦略は、余分な処理ステップ、時間を必要とし、質量特異的性能の低下、ならびに拡張デバイス使用時のナノ粒子の凝集を引き起こす^{可能性がある8.}もう一つの戦略は、合成されたナノ粒子の合体を、その後の超臨界乾燥^9、10、11で金属ゲルに駆動することです。貴金属に対するゾルゲル合成アプローチの進歩は、数週間から数時間または数分の速さでゲル化時間を短縮しているが、得られるモノリスは、装置¹²での実用化を妨げる機械的に脆弱である傾向がある。

白金合金および多金属3次元多孔性ナノ構造体は、触媒特異性に対するタンナビリティを提供するとともに、白金^13,14の高コスト及び相対的希少性に対処する。白金-パラジウム^15、16、白金銅^17、18、19の離散ナノ構造、ならびに他の合金組み合わせ²⁰の報告は数多くあるが、3次元白金合金および多金属構造の溶液ベースの技術を達成するための合成戦略はほとんどなかった。

近年我々は、金、パラジウム、および白金金属ゲル^21,22を迅速に生成する高濃度塩溶液および還元剤の使用を実証^した。高濃度塩溶液および還元剤は、ゼラチン、セルロース、シルク^{23、24、25、26}を用いたバイオポリマー貴金属複合材料の合成にも使用された。不溶性塩は、還元可能なイオンの最高濃度を表し、Xiaoたちは2次元金属酸化物^27,28の合成を実証するために使用された。高濃度塩溶液から多孔質貴金属エアロゲルおよび複合材料のデモンストレーションを行い、不溶性塩の高密度イオンを活用して、マグナスの塩および誘導体を形状テンプレートとして使用し、多孔質貴金属マクロチューブとマクロビーム^{29、30、31、32}を合成しました。

マグナス塩は逆に帯電した正方形の平板白金イオン[PtCl^4]2-と[Pt(NH3)4]2+33を加えて組み立てる。 同様に、ヴォークラン塩は逆に荷電したパラジウムイオンの組み合わせから形成される[PdCl_4]^2-および[Pd(NH_3)4]2+^{2+ 34。}前駆体塩濃度が100mMの場合、得られた塩結晶は長さ10~100マイクロメートルの針を形成し、角幅は約100nm〜3μmである。塩テンプレートは電荷中性であるが、マグヌスの塩誘導体をイオン種間で変えて、[Cu(NH₃₎^4]2+を含むように、結果として生じる還元金属比を制御できる。イオンの組み合わせ、および化学還元剤の選択は、角断面および融合ナノ粒子またはナノフィブリルからなる多孔質ナノ構造を有するマクロチューブまたはマクロビームのいずれかをもたらす。マクロチューブやマクロビームも自由立ち膜に押し込まれ、電気化学的に活性な表面積を電気化学的インピーダンス分光法および環状ボルタンメトリーで決定した。塩テンプレートアプローチは、白金マクロチューブ^29、白金パラジウムマクロビーム³¹を合成するために使用され、銅、銅白金マクロチューブ³²を組み込むことによって材料コストを下げ、触媒活性を調整するために努力した。塩テンプレート法は、Au-PdおよびAu-Pd-Cuバイナリおよび三級金属マクロチューブおよびナノフォーム³⁰についても実証された。

ここでは、不溶性マグナスの塩針テンプレート29、31、32から白金、白金・パラジウム、及び銅・白金二金属多孔質マクロチューブ及びマクロビームを合成する方法を提示する。塩針テンプレート中のイオン量測定の制御は、化学還元後の金属比の制御を提供し、X線回折法およびX線光電子分光法で検証することができます。得られたマクロチューブおよびマクロビームは、ハンド圧力で自立したフィルムに組み立て、形成することができる。得られたフィルムは_、H2SO4およびKCl電解質における電気化学的インピーダンス分光法および環状ボルタンメトリーによって決定される高い電気化学的活性表面積(ECSA)を示す。この方法は、白金ベースの金属組成、空隙率、ナノ構造体を、より幅広い塩テンプレートに一般化できる迅速かつスケーラブルな方法で制御する合成経路を提供する。