Un método de síntesis con plantillas de sal para macrobeames y macrotubos basados en platino poroso

Numerosos métodos de síntesis se han desarrollado para obtener alta superficie, materiales porosos basados en platino principalmente para aplicaciones de catálisis incluyendo pilas de combustible¹. Una estrategia para lograr tales materiales es sintetizar nanopartículas monodispersas en forma de esferas, cubos, cables y tubos^2,3,4,5. Para integrar las nanopartículas discretas en una estructura porosa para un dispositivo funcional, aglutinantes poliméricos y aditivos de carbono a menudo se requieren^6,7. Esta estrategia requiere pasos de procesamiento adicionales, tiempo y puede conducir a una disminución en el rendimiento específico de masa, así como la aglomeración de nanopartículas durante el uso prolongado del dispositivo⁸. Otra estrategia es impulsar la carbonescencia de las nanopartículas sintetizadas en un gel metálico con posterior secado supercrítico^9,10,11. Mientras que los avances en el enfoque de síntesis de sol-gel para metales nobles han reducido el tiempo de gelización de semanas a tan rápido como horas o minutos, los monolitos resultantes tienden a ser mecánicamente frágiles impidiendo su uso práctico en dispositivos¹².

Las nanoestructuras porosas de aleación de platino y multimetánicas de 3 dimensiones ofrecen sintonizabilidad para la especificidad catalítica, así como abordan el alto costo y la relativa escasez de platino^13,14. Si bien ha habido numerosos informes de platino-paladio^15,16 y platino-cobre^17,18,19 nanoestructuras discretas, así como otras combinaciones de aleación^20,ha habido pocas estrategias de síntesis para lograr una técnica basada en solución para aleaciones de platino tridimensional y estructuras multidimensionales.

Recientemente demostramos el uso de soluciones salinas de alta concentración y agentes reductores para producir rápidamente geles metálicos de oro, paladio y platino^21,22. Las soluciones salinas de alta concentración y los agentes reductores también se utilizaron en la síntesis de compuestos metálicos nobles de biopolímero utilizando gelatina, celulosa y seda^23,24,25,26. Las sales insolubles representan las concentraciones más altas de iones disponibles para ser reducidas y fueron utilizadas por Xiao y sus colegas para demostrar la síntesis de óxidos metálicos tridimensionales^27,28. Extendiéndose en la demostración de aerogeles y compuestos metálicos nobles porosos a partir de soluciones de sal de alta concentración, y aprovechando la alta densidad de iones disponibles de sales insolubles, utilizamos las sales y derivados Magnus como plantillas de forma para sintetizar macrotubos de metal noble poroso y macrobeams^29,30,31,32.

Las sales Magnus se ensamblan a partir de la adición de iones de platino planos cuadrados cargados de forma opuesta [PtCl₄]^2- y [Pt(NH₃)₄]^{2+ 33}. De manera similar, las sales de Vauquelin se forman a partir de la combinación de iones de paladio cargados de forma opuesta, [PdCl₄]^2- y [Pd(NH₃)₄]^{2+ 34}. Con concentraciones de sal precursora de 100 mM, los cristales de sal resultantes forman agujas de 10s a 100s de micrómetros de largo, con anchuras cuadradas de aproximadamente 100 nm a 3 m. Mientras que las plantillas de sal son neutrales de carga, variando la estequiometría de derivados de sal de Magnus entre especies de iones, para incluir [Cu(NH₃)₄]^2+,permite controlar las proporciones metálicas reducidas resultantes. La combinación de iones, y la elección del agente reductor químico, dan como resultado macrotubos o macrobeames con una sección transversal cuadrada y una nanoestructura porosa compuesta de nanopartículas fusionadas o nanofibrillas. Los macrotubos y macrobeams también fueron prensados en películas de pie, y el área de superficie electroquímicamente activa se determinó con espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica. El enfoque de la plantilla de sal se utilizó para sintetizar macrotubos de platino^29,macrobos de platino y paladio^31,y en un esfuerzo por reducir los costos de material y ajustar la actividad catalítica mediante la incorporación de macrotubos de cobre, cobre y platino³². El método de plantillas de sal también se demostró para Au-Pd y Au-Pd-Cu macrotubos binarios y metálicos ternarios y nanoespams³⁰.

Aquí, presentamos un método para sintetizar macros y macrobos porosos bimetádicos de platino, platino-paladio y cobre-platino a partir de plantillas de agujas de sal insolubles Magnus^29,31,32. El control de la estequiometría de iones en las plantillas de agujas de sal proporciona control sobre las relaciones metálicas resultantes después de la reducción química y se puede verificar con difractometría de rayos X y espectroscopia de fotoelectrón de rayos X. Los macrotubos y macrobeames resultantes pueden ensamblarse y formarse en una película independiente con presión de las manos. Las películas resultantes exhiben áreas superficiales altamente activas electroquímicamente (ECSA) determinadas por espectroscopia de impedancia electroquímica y voltammetría cíclica en el electrolito H₂SO₄ y KCl. Este método proporciona una ruta de síntesis para controlar la composición de metales a base de platino, la porosidad y la nanoestructura de una manera rápida y escalable que puede ser generalizable a una gama más amplia de plantillas de sal.