Cette méthode utilisant des hydrogels covalents de biopolymère de nanofibre de cellulose pour réaliser un composite d’aerogel en métal de palladium peut être generalisable à un large éventail de modèles et de métaux de biopolymère. Cette méthode composite de synthèse de l’aérogel utilise les nanofibres de cellulose comme biotemplate pour atteindre le contrôle de la nanostructure métallique pallium et de la forme macroscopique du monolithe d’aérogel. Le contrôle de la forme et l’intégrité mécanique des aérogels métalliques biotemplatés devraient faciliter les applications de catalyse, de stockage d’énergie et de détection.
Cette méthode peut être appliquée pour développer davantage de modèles de métaux de carbone biopolymères et pour obtenir un meilleur contrôle des nanostructures tridimensionnelles dans les matériaux composites d’aérogel. Pour préparer une solution de nanofibre de cellulose, mélangez d’abord 1,5 grammes de nanofibres de cellulose carboxyméthyle avec 50 millilitres d’eau déionisée. Après avoir secoué, vortex de la solution pendant une minute, suivie d’une incubation de 24 heures dans un sonicateur de bain à température ambiante pour assurer un mélange complet.
Le lendemain matin, ajoutez 0,959 gramme d’EDC et 0,195 gramme de tampon MES à 2,833 millilitres d’eau déionisée. Ensuite, réglez le volume final à 10 millilitres et un pH de 4,5 avec de l’acide chlorhydrique uni molaire et de l’eau déionisée. Ensuite, transférez 0,25 millilitres de la solution nanofibre de cellulose à 3 % dans chacun des six tubes de microfuge, et sédimentez les nanofibres par centrifugation.
Utilisez une pipette pour aspirer l’excès d’eau au-dessus des nanofibres compactées tout en évitant tout contact avec la surface supérieure. Ajouter un millilitre de la solution de liaison croisée EDC et diamine au-dessus des nanofibres de cellulose compactées dans chaque tube de microfuge. Attendez au moins 24 heures que la solution de liaison croisée se diffuse à travers les gels pour croiser les nanofibres de cellulose.
Ensuite, aspirez le supernatant de solution de liaison croisée des tubes de microfuge, et immerger les tubes de microfuge dans un litre d’eau déionisée pendant au moins 24 heures avec les bouchons ouverts pour enlever toute solution de liaison croisée excédentaire de l’intérieur des hydrogels nanofibres. Le lendemain, ajoutez environ 0,5 millilitres d’une solution nanofibre de cellulose à 3% dans l’eau déionisée au stade de l’échantillon d’un spectromètre infrarouge de transformation fourier, et numérisez la transmission en pourcentage pour 650 à 4000 centimètres réciproques. Pour préparer la solution palladium, vortex 10 millilitres de chlorure d’ammonium palladium d’une molaire pendant 15 secondes avant de diluer la solution en volumes d’un millilitre à une, 10, 50, 100, 500 et 1000 millimolaires dans l’eau déionisée.
Ensuite, ajoutez un millilitre de chaque dilution au dessus des échantillons individuels d’hydrogel nanofibre de cellulose, et permettez aux solutions de palladium d’équilibrer dans les hydrogels pendant 24 heures. Le lendemain, préparez 60 millilitres de borohydride de sodium bi molaire et pipette de 10 millilitres dans chacun des six tubes coniques de 15 millilitres dans une hotte de fumée, et transférez les tubes d’hydrogels de nanofibres de cellulose équilibrés de palladium au capot de fumée. Porter l’équipement de protection personnelle approprié, inverser un tube de microcentrifugeuse et appuyez doucement sur le tube pour enlever l’hydrogel, à l’aide d’une pince à épiler plate pour transférer l’hydrogel dans l’un des tubes de borohydride de sodium.
Après 24 heures, transférer chaque hydrogel réduit dans une deuxième solution de réduction du borohydride de sodium de 24 heures et 0,5 molaire avant de rincer les gels composites nanofibre-palladium de cellulose dans 50 millilitres d’eau déionisée dans de nouveaux tubes coniques. Échangez l’eau déionisée après 12 heures et laissez les gels rincer pendant au moins 12 heures supplémentaires. Ensuite, utilisez des pinces plates pour transférer les gels de nanofibre-palladium de cellulose rincés à des volumes successifs de 50 millilitres de 25 %50 %75 % et de solutions 100 % éthanol pendant au moins six heures par solution.
Après le dernier échange de solvants, séchez les hydrogels dans une sécheuse supercritique avec du dioxyde de carbone, avec un point fixe de 35 degrés Celsius et 1200 livres par pouce carré. Lorsque le séchage est terminé, laisser la chambre s’équilibrer pendant au moins 12 heures avant d’ouvrir la sécheuse pour l’enlèvement des aérogels. Pour caractériser les aérogels composites en scannant la microscopie électronique, utilisez une lame de rasoir pour couper chaque gel en sections d’un à deux millimètres d’épaisseur, et utilisez du ruban de carbone pour fixer l’échantillon mince de film sur un talon d’échantillon de microscope électronique à balayage.
Chargez le talon sur le microscope, et utilisez une tension d’accélération initiale de 15 kilovolts et un courant de faisceau de 2,7 à 5,4 picoamps pour l’image de l’échantillon. Pour analyser les aérogels par diffractométrie des rayons X, placez l’aérogel nanofibre-palladium de cellulose dans un porte-échantillon et alignez le dessus de l’aérogel avec le dessus du support. Ensuite, effectuez des balayages de diffraction aux rayons X pour les angles de diffraction deux theta de cinq à 90 degrés à 45 kilovolts et 40 milliampes avec le rayonnement K-alpha de cuivre, une taille d’étape de deux theta de 0130 degrés, et 20 secondes par étape.
Pour l’analyse gravimétrique thermique, placez un échantillon d’aérogel dans le creuset de l’instrument et effectuez l’analyse en faisant circuler du gaz azoté à 60 millilitres par minute avec un chauffage à 10 degrés par minute de la température ambiante à 700 degrés Celsius. Pour l’adsorption-désorption des gaz azotés, dégazez les échantillons pendant 24 heures à température ambiante avant d’utiliser de l’azote à moins 196 degrés Celsius comme gaz d’essai avec des temps d’équilibre pour l’adsorption et la désorption de 60 et 120 secondes, respectivement. Pour la caractérisation électrochimique, immerger les échantillons d’aérogel dans un électrolyte d’acide sulfurique molaire de 0,5 molaire pendant 24 heures avant de placer un fil recouvert de laque avec une pointe exposée d’un millimètre en contact avec la surface supérieure de l’aérogel au fond du flacon électrochimique.
Ensuite, utilisez une cellule à trois électrodes avec une électrode auxiliaire en fil de platine argent/argent de 0,5 millimètre de diamètre et une électrode de travail en platine recouverte de laque de 0,5 millimètre de diamètre pour effectuer une impédance électrochimique. spectroscopie d’un mégahertz à un millihertz avec une onde sinusoïde de 10 millivolts et voltammetry cyclique utilisant une plage de tension de moins 0,2 à 1,2 volts avec des taux de balayage de 10, 25 ans, 50 et 75 millivolts par seconde. La spectroscopie infrarouge fourier-transform peut être exécutée comme démontré pour confirmer le croisement d’hydrogel de nanofibre de cellulose. Ici, des hydrogels nanofibres de cellulose étroitement reliés de façon covalente avant et après l’équilibration à travers une gamme de concentrations de chlorure d’ammonium palladium ou de chlorure de palladium de sodium sont montrés.
Ici, des gels réduits de nanofibre-palladium de cellulose sont montrés avant et après le séchage composite supercritique d’aerogel. En général, les aérogels présentent des ligaments fibrillaires interconnectés avec une taille croissante de nanoparticules, corrélant avec une augmentation de la concentration de solution de palladium en scannant la microscopie électronique. Les spectres de diffractométrie des rayons X pour le palladium et l’hydride de palladium deviennent plus alambiqués avec l’augmentation de la concentration de synthèse du palladium jusqu’à ce que les spectres ne soient plus distinguables à 1 000 millimolaires, corrélateur avec l’augmentation du diamètre des nanoparticules observée par microscopie électronique à balayage.
L’analyse thermogravimétrique des spectres révèle une teneur croissante en métaux dans les aérogels composites nanofibre-palladium de cellulose à mesure que la concentration de la solution de palladium de synthèse augmente. Les données de physisorption démontrent un isotherm d’adsorption-désorption de type IV, indiquant une structure mésoporeuse et macroporeuse, et l’analyse de taille de pore de Barrett-Joyner-Halenda indique une fréquence décroissante des mésopores pendant que la teneur en palladium d’aerogel augmente. Les spectres électrochimiques de spectroscopie d’impedance illustrent la résistance de transfert de charge basse et la capacité de double couche pour l’aerogel composite nanofiber-palladium de cellulose.
En outre, les balayages cycliques de voltammetry indiquent l’adsorption et la désorption d’hydrogène à des potentiels moins de zéro volts, aussi bien que les crêtes caractéristiques d’oxydation et de réduction pour le palladium plus grandes que 0.5 volts. N’oubliez pas de rincer les gels avec des concentrations incrémentielles d’eau et d’éthanol que l’enflure osmotique de grandes différences de concentration peut rompre l’hydrogel. L’incorporation d’autres matériaux tels que le graphène et les nanotubes de carbone pour les biotemplates composites peut être possible d’atteindre une plus grande durabilité mécanique et la conductivité des aérogels.
L’utilisation d’hydrogels covalents de nanofibre de cellulose pour réaliser des aérogels composites en métal poreux offre une voie de synthèse pour d’autres matériaux métalliques nobles et de transition dans une variété de facteurs de forme. Des concentrations élevées de borohydride de sodium aqueux se traduit par la production d’hydrogène gazeux inflammable. Il est important de réduire électrochimiquement les échantillons dans une zone bien ventilée, loin des flammes nues.
