Dieses Verfahren mit Cellulose-Nanofaser-Biopolymer-Kovalenthydrogelen zur Erreichung eines Palladium-Metall-Aerogel-Verbundwerkstoffs kann auf eine breite Palette von Biopolymer-Vorlagen und Metallen verallgemeinert werden. Diese zusammengesetzte Aerogel-Synthesemethode verwendet Cellulose-Nanofasern als Biotemplate, um die Kontrolle sowohl über die Pallium-Metall-Nanostruktur als auch über die makroskopische Aerogelmonolithform zu erlangen. Die Formkontrolle und mechanische Integrität von biotemplated Metall-Aerogels sollte Anwendungen für Katalyse, Energiespeicherung und Sensorik erleichtern.
Diese Methode kann angewendet werden, um Biopolymer-Carbon-Metall-Schablonen weiterzuentwickeln und eine bessere Kontrolle dreidimensionaler Nanostrukturen in Verbund-Aerogel-Materialien zu erreichen. Um eine Cellulose-Nanofaserlösung vorzubereiten, mischen Sie zunächst 1,5 Gramm Carboxymethylcellulose-Nanofasern mit 50 Milliliter entionisiertem Wasser. Nach dem Schütteln, Wirbel die Lösung für eine Minute, gefolgt von einer 24-Stunden-Inkubation in einem Bad Beschallungbeilage bei Umgebungstemperatur, um eine vollständige Mischung zu gewährleisten.
Am nächsten Morgen, fügen Sie 0,959 Gramm EDC und 0,195 Gramm MES Puffer zu 2,833 Milliliter entionisiertes Wasser. Dann stellen Sie das Endvolumen auf 10 Milliliter und einen pH-Wert von 4,5 mit ein-molaren Salzsäure und entionisiertem Wasser ein. Als nächstes übertragen Sie 0,25 Milliliter der 3%Cellulose-Nanofaserlösung in jeden der sechs Mikrofuge-Röhren und sedimentieren die Nanofasern durch Zentrifugation.
Verwenden Sie eine Pipette, um das überschüssige Wasser über den verdichteten Nanofasern zu saugen und gleichzeitig den Kontakt mit der Oberseite zu vermeiden. Fügen Sie einen Milliliter der EDC- und Diamin-Vernetzungslösung über den verdichteten Cellulose-Nanofasern in jedem Mikrofugenrohr hinzu. Warten Sie mindestens 24 Stunden, bis die Vernetzungslösung durch die Gele diffundiert, um die Cellulose-Nanofasern zu vernetzen.
Dann aspirieren Sie die Vernetzungslösung überstand aus den Mikrofugenrohren, und tauchen Sie die Mikrofugenrohre mindestens 24 Stunden lang in einen Liter entionisiertes Wasser ein, wobei die Kappen geöffnet sind, um überschüssige Vernetzungslösungen aus den Nanofaser-Hydrogelen zu entfernen. Am nächsten Tag etwa 0,5 Milliliter einer 3%Zellulose-Nanofaserlösung in entionisiertem Wasser in die Probenstufe eines Fourier-Transform-Infrarotspektrometers geben und die prozentuale Durchlässigkeit für 650 bis 4 000 wechselseitige Zentimeter scannen. Zur Herstellung der Palladiumlösung 10 Milliliter einmollaren Palladiumammoniumchlorid für 15 Sekunden, bevor die Lösung in ein,10, 50, 100, 500 und 1 000 Millimolar-Konzentrationen in entionisiertem Wasser auf Ein-Milliliter-Volumen verdünnt wird.
Als nächstes fügen Sie einen Milliliter jeder Verdünnung an die Spitze der einzelnen Cellulose-Nanofaser-Hydrogelproben und lassen Sie die Palladium-Lösungen innerhalb der Hydrogele für 24 Stunden ausgrenzen. Am nächsten Tag 60 Milliliter zweimolares Natriumborohydrid und Pipette 10 Milliliter in jeweils sechs 15-Milliliter Konische Röhren in einer Dunstabzugshaube zubereiten und die Tuben palladiumgleich zellulose Nanofaser-Hydrogele auf die Dunstabzugshaube übertragen. Mit der entsprechenden persönlichen Schutzausrüstung, invertieren Sie ein Mikrozentrifugenrohr und tippen Sie vorsichtig auf das Rohr, um das Hydrogel zu entfernen, mit einer flachen Pinzette, um das Hydrogel in eine der Röhren von Natriumborohydrid zu übertragen.
Nach 24 Stunden übertragen Sie jedes reduzierte Hydrogel in eine zweite 24-Stunden-, 0,5-Molar-Natriumborohydrid-Reduktionslösung, bevor Sie die Cellulose-Nanofaser-Palladium-Verbundgele in 50 Milliliter entionisiertes Wasser in neuen konischen Rohren spülen. Tauschen Sie das entionisierte Wasser nach 12 Stunden aus und lassen Sie die Gele mindestens 12 Stunden zusätzlich ausspülen. Verwenden Sie dann eine flache Pinzette, um die vorgeschliffenen Cellulose-Nanofaser-Palladium-Gele für mindestens sechs Stunden pro Lösung auf aufeinander folgende 50-Milliliter-Volumen von 25%50%75% und 100% Ethanollösungen zu übertragen.
Nach dem letzten Lösungsmittelaustausch trocknen Sie die Hydrogele in einem überkritischen Trockner mit Kohlendioxid, mit einem Sollwert von 35 Grad Celsius und 1200 Pfund pro Quadratzoll. Wenn die Trocknung abgeschlossen ist, lassen Sie die Kammer mindestens 12 Stunden ausdemadien, bevor Sie den Trockner zum Entfernen der Aerogele öffnen. Um die Verbund-Aerogele durch Rasterelektronenmikroskopie zu charakterisieren, verwenden Sie eine Rasierklinge, um jedes Gel in ein bis zwei Millimeter dicke Abschnitte zu schneiden, und verwenden Sie Kohlenstoffband, um die Dünnschichtprobe auf einem Rasterelektronenmikroskop-Probenstummel zu fixieren.
Laden Sie den Stub auf das Mikroskop, und verwenden Sie eine anfängliche Beschleunigungsspannung von 15 Kilovolt und einen Strahlstrom von 2,7 bis 5,4 Picoamps, um die Probe abzubilden. Um die Aerogele mittels Röntgendiffraktometrie zu analysieren, legen Sie das Cellulose-Nanofaser-Palladium-Aerogel in einen Probenhalter und richten Sie die Oberseite des Aerogels an der Oberseite des Halters aus. Führen Sie dann Röntgenbeugungsscans für Beugungswinkel von fünf bis 90 Grad bei 45 Kilovolt und 40 Milliampere mit Kupfer-K-Alpha-Strahlung, einer Zwei-Theta-Schrittgröße von 0130 Grad und 20 Sekunden pro Schritt durch.
Legen Sie für die thermische gravimetrische Analyse eine Aerogelprobe in den Sinnpunkt des Instruments und führen Sie die Analyse durch Fließen von Stickstoffgas bei 60 Milliliter pro Minute mit Einer Erwärmung bei 10 Grad pro Minute von der Umgebungstemperatur auf 700 Grad Celsius durch. Bei Stickstoffgasadsorption-Desorption die Proben 24 Stunden bei Raumtemperatur entgasen, bevor Stickstoff bei minus 196 Grad Celsius als Prüfgas mit Ausgleichszeiten für Adsorption bzw. Desorption von 60 bzw. 120 Sekunden verwendet wird. Zur elektrochemischen Charakterisierung die Aerogelproben 24 Stunden lang in 0,5-Mol-Schwefelsäureelektrolyt eintauchen, bevor Sie einen lackbeschichteten Draht mit einer ein Millimeter freiliegenden Spitze in Kontakt mit der Oberseite des Aerogels am Boden der elektrochemischen Durchstechflasche setzen.
Verwenden Sie dann eine Drei-Elektroden-Zelle mit einer Silber/Silberchlorid 0,5-Millimeter-Durchmesser Platindraht-Hilfs-Gegenelektrode und eine lackbeschichtete Platin-Arbeitselektrode mit 0,5 Millimeter Durchmesser, um eine elektrochemische Impedanzspektroskopie von einem Megahertz bis zu einem Millihertz mit einer 10-Millivolt-Sinuswelle und einer zyklischen Voltammetrie mit einem Spannungsbereich von minus 0,2 bis 1,2 Volt mit Scanraten von 10, 25, 50 und 75 Millivolt pro Sekunde. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie kann wie gezeigt durchgeführt werden, um die Vernetzung von Cellulose-Nanofaser-Hydrogelen zu bestätigen. Hierbei werden kovalent vernetzte Cellulose-Nanofaser-Hydrogele vor und nach der Ausgleichung über eine Reihe von Palladium-Ammoniumchlorid- oder Natriumpalladiumchloridkonzentrationen gezeigt.
Hier werden reduzierte Cellulose-Nanofaser-Palladium-Gele vor und nach der überkritischen Aerogel-Verbundtrocknung gezeigt. Im Allgemeinen präsentieren die Aerogele vernetzte fibrilläre Bänder mit einer zunehmenden Nanopartikelgröße, die mit einer Erhöhung der Palladiumlösungskonzentration durch Rasterelektronenmikroskopie korreliert. Röntgendiffraktometriespektren für Palladium und Palladiumhydrid verworren mit zunehmender Palladiumsynthesekonzentration, bis die Spektren bei 1.000 Millimolar nicht mehr unterscheidbar sind, was mit der Durchzappelektronenmikroskopie beobachteten Zunahme der Nanopartikeldurchmesser korreliert.
Die thermogravimetrische Spektrenanalyse zeigt einen steigenden Metallgehalt in den Cellulose-Nanofaser-Palladium-Verbund-Aerogelen, wenn die Konzentration der Synthese-Palladium-Lösung steigt. Die Physikationsdaten zeigen eine Typ-IV-Adsorptions-Desorptions-Isotherme, die auf eine mesoporöse und makroporöse Struktur hinweist, und die Barrett-Joyner-Halenda Porengrößenanalyse zeigt eine abnehmende Häufigkeit von Mesoporen, wenn der Aerogel-Palladiumgehalt zunimmt. Elektrochemische Impedanzspektroskopiespektren veranschaulichen die geringe Ladungsübertragungsbeständigkeit und Doppelschichtkapazität für das Cellulose-Nanofaser-Palladium-Verbund-Aerogel.
Darüber hinaus deuten zyklische Voltammetrie-Scans auf Wasserstoffadsorption und Desorption bei Potentialen unter Null Volt sowie charakteristische Oxidations- und Reduktionsspitzen für Palladium von mehr als 0,5 Volt hin. Denken Sie daran, die Gele mit inkrementellen Konzentrationen von Wasser und Ethanol zu spülen, da die osmotische Schwellung durch große Konzentrationsunterschiede das Hydrogel brechen kann. Die Einbeziehung anderer Materialien wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren für Verbundbiotemplates kann eine höhere mechanische Haltbarkeit und Leitfähigkeit der Aerogele erreichen.
Die Verwendung von zellulosenanofaserkovalenten Hydrogelen zur Erzielung poröser Metallverbund-Aerogele bietet einen Syntheseweg für andere edle und Übergangsmetallmaterialien in einer Vielzahl von Formfaktoren. Hohe Konzentrationen von wässrigem Natriumborohydrid führen zur Produktion von brennbarem Wasserstoffgas. Es ist wichtig, die Proben in einem gut belüfteten Bereich, weg von offenen Flammen, elektrochemisch zu reduzieren.
