Une méthode de synthèse à modèle salé pour les macrofèams et macrotubes poreux à base de platine

De nombreuses méthodes de synthèse ont été mises au point pour obtenir des matériaux poreux à base de platine à haute surface, principalement pour des applications de catalyse, y compris les piles à^{combustible 1}. Une stratégie pour atteindre de tels matériaux est de synthétiser les nanoparticules monodisperses sous forme de sphères, cubes, fils et tubes^2,3,4,5. Pour intégrer les nanoparticules discrètes dans une structure poreuse pour un dispositif fonctionnel, des liants polymériques et des additifs de carbone^{sont souvent nécessaires 6,7}. Cette stratégie nécessite des étapes de traitement supplémentaires, du temps, et peut conduire à une diminution des performances spécifiques à la masse, ainsi que l’agglomération de nanoparticules lors de l’utilisation prolongée de^{l’appareil 8}. Une autre stratégie consiste à conduire la coalescence des nanoparticules synthétisées dans un gel métallique avec séchage supercritique^{ultérieur 9,10,11}. Alors que les progrès dans l’approche de synthèse sol-gel pour les métaux nobles a réduit le temps de gelation de semaines à aussi vite que des heures ou des minutes, les monolithes qui en résultent ont tendance à être mécaniquement fragiles en empiilant leur utilisation pratique dans les dispositifs¹².

Les nanostructures poreuses tridimensionnelles en alliage platine et multi-métalliques offrent une tunabilité pour la spécificité catalytique, ainsi que pour faire face au coût élevé et à la rareté relative du^{platine 13,14}. Bien qu’il y ait eu de nombreux rapports de platine-palladium^15,16 et platine-cuivre^17,18,19 nanostructures discrètes, ainsi que d’autres combinaisons d’alliage²⁰, il ya eu peu de stratégies de synthèse pour atteindre une technique basée sur des solutions pour l’alliage de platine tridimensionnel et des structures multi-métalliques.

Récemment, nous avons démontré l’utilisation de solutions de sel à haute concentration et de réduire les agents pour produire rapidement de l’or, du palladium et des gels métalliques^{platine 21,22}. Les solutions de sel à haute concentration et les agents réducteurs ont également été utilisés pour synthétiser les composites métalliques nobles biopolymères à l’aide de gélatine, cellulose et^{soie 23,24,25,26}. Les sels insolubles représentent les concentrations les plus élevées d’ions disponibles pour être réduits et ont été utilisés par Xiao et ses collègues pour démontrer la synthèse des oxydes métalliques bidimensionnels^27,28. S’étendant sur la démonstration des aérogels et des composites en métal noble poreux des solutions de sel à haute concentration, et tirant parti de la haute densité des ions disponibles des sels insolubles, nous avons employé les sels et les dérivés de Magnus comme modèles de forme pour synthétiser les macrotubes et les macrofèams en métal noble poreux^29,30,31,32.

Les sels de Magnus s’assemblent à partir de l’ajout d’ions de platine planaires carrés chargés en face [PtCl_4]^2- et [Pt(NH₃)₄]^{2+ 33}. De la même manière, les sels de Vauquelin se forment à partir de la combinaison d’ions palladium chargés en face, [PdCl₄]^2- et [Pd(NH₃)₄]^{2+ 34}. Avec des concentrations de sel précurseur de 100 mM, les cristaux de sel qui en résultent forment des aiguilles de 10 à 100 micromètres de long, avec des largeurs carrées d’environ 100 nm à 3 μm. Bien que les modèles de sel soient neutres en charge, la variation de la stoichiométrie des dérivés du sel de Magnus entre les espèces iration, pour inclure [Cu(NH₃)₄]²⁺, permet de contrôler les rapports métalliques réduits qui en résultent. La combinaison des ions, et le choix de l’agent réducteur chimique, ont comme conséquence des macrotubes ou des macrofêtres avec une section transversale carrée et une nanostructure poreuse composée des nanoparticules fusionnées ou des nanofibrilles. Les macrotubes et les macrofèques ont également été pressés dans des films indépendants, et la surface électrochimiquement active a été déterminée avec la spectroscopie d’impedance électrochimique et la voltammetry cyclique. L’approche de modèle de sel a été employée pour synthétiser des macrotubes de platine^29,macrobeams de platine-palladium^31,et dans un effort pour abaisser des coûts matériels et accorder l’activité catalytique en incorporant le cuivre, macrotubes cuivre-platine^32. La méthode de templation du sel a également été démontrée pour les macrotubes et nanofoams en métal binaire et ternaire d’Au-Pd et d’Au-Pd-Cu^30.

Ici, nous présentons une méthode pour synthétiser le platine, le platine-palladium, et le cuivre-platine bi-métallique macrotubes poreux et macrofaiteurs de modèles insolubles d’aiguille de sel magnus^29,31,32. Le contrôle de la stoichiométrie ionique dans les modèles d’aiguilles de sel permet de contrôler les rapports métalliques qui en résultent après la réduction chimique et peut être vérifié par diffractométrie des rayons X et spectroscopie photoélectronique aux rayons X. Les macrotubes et macrofaiteurs qui en résultent peuvent être assemblés et formés en un film auto-debout avec la pression de la main. Les films qui en résultent présentent des surfaces électrochimiques élevées (ECSA) déterminées par spectroscopie d’impédance électrochimique et voltammetry cyclique dans l’électrolyte H₂SO₄ et KCl. Cette méthode fournit une voie de synthèse pour contrôler la composition métallique à base de platine, la porosité et la nanostructure d’une manière rapide et évolutive qui peut être généralisable à un plus large éventail de modèles de sel.