Questo metodo che utilizza idrogel covalenti di biopolimero nanofibra di cellulosa per ottenere un composito di aerogel metallico palladio può essere generalizzabile per una vasta gamma di modelli di biopolimeri e metalli. Questo metodo composito di sintesi dell'aerogel utilizza le nanofibre di cellulosa come biomodello per ottenere il controllo sia sulla nanostruttura metallica pallio che sulla forma monolite dell'aerogel macroscopico. Il controllo della forma e l'integrità meccanica degli aerogel metallici biotemplated dovrebbero facilitare le applicazioni per la catalisi, lo stoccaggio dell'energia e il rilevamento.
Questo metodo può essere applicato per sviluppare ulteriormente modelli di metalli in carbonio biopolimero e per ottenere un migliore controllo delle nanostrutture tridimensionali nei materiali aerogel compositi. Per preparare una soluzione di nanofibra di cellulosa, mescolare prima 1,5 grammi di nanofibre di carbossimetil cellulosa con 50 millilitri di acqua deionizzata. Dopo aver tremato, vortice la soluzione per un minuto, seguita da un'incubazione 24 ore su 24 in un sonicatore da bagno a temperatura ambiente per garantire la miscelazione completa.
La mattina seguente, aggiungere 0,959 grammi di EDC e 0,195 grammi di tampone MES a 2.833 millilitri di acqua deionizzata. Quindi, regolare il volume finale a 10 millilitri e un pH di 4,5 con acido cloridrico un molare e acqua deionizzata. Successivamente, trasferire 0,25 millilitri della soluzione di nanofibra di cellulosa al 3% in ciascuno dei sei tubi di microfugo e sedimentare le nanofibre mediante centrifugazione.
Utilizzare una pipetta per aspirare l'acqua in eccesso sopra le nanofibre compattate evitando il contatto con la superficie superiore. Aggiungere un millilitro della soluzione di reticolamento EDC e diammina sopra le nanofibre di cellulosa compattate in ogni tubo di microfugo. Attendere almeno 24 ore affinché la soluzione di reticello si disffondono attraverso i gel per collegare le nanofibre di cellulosa.
Quindi, aspirare il supernatante della soluzione di reti incrociato dai tubi di microfugo e immergere i tubi di microfugo in un litro di acqua deionizzata per almeno 24 ore con i tappi aperti per rimuovere qualsiasi soluzione di retille in eccesso dall'interno degli idrogel in nanofibra. Il giorno dopo, aggiungere circa 0,5 millilitri di una soluzione di nanofibra di cellulosa al 3% in acqua deionizzata allo stadio campione di uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier e scansionare la trasmittanza percentuale per 650-4.000 centimetri reciproci. Per preparare la soluzione di palladio, vortice 10 millilitri di cloruro di ammonio palladio un molare per 15 secondi prima di diluire la soluzione a volumi di un millilitro in una, 10, 50, 100, 500 e 1.000 concentrazioni millimolare in acqua deionizzata.
Successivamente, aggiungere un millilitro di ogni diluizione alla parte superiore dei singoli campioni di idrogel di nanofibra di cellulosa e consentire alle soluzioni di palladio di equilibrare all'interno degli idrogel per 24 ore. Il giorno successivo, preparare 60 millilitri di boroidride di sodio bimolare e pipettare 10 millilitri in ciascuno dei sei tubi conici da 15 millilitri in una cappa aspirante, e trasferire i tubi degli idrogel di cellulosa equilibrati al palladio nella cappa dei fumi. Indossando l'attrezzatura di protezione individuale appropriata, invertire un tubo di microcentrifugo e toccare delicatamente il tubo per rimuovere l'idrogel, utilizzando una pinzetta piatta per trasferire l'idrogel in uno dei tubi di boroidro di sodio.
Dopo 24 ore, trasferire ogni idrogel ridotto in una seconda soluzione di riduzione del boroidro di sodio 24 ore su 24, 0,5 molare prima di risciacquare i gel compositi di nanofibra-palladio di cellulosa in 50 millilitri di acqua deionizzata in nuovi tubi conici. Scambiare l'acqua deionizzata dopo 12 ore e lasciare risciacquare i gel per almeno altre 12 ore. Quindi, utilizzare una pinzetta piatta per trasferire i gel di nanofibra-palladio di cellulosa risciacquati a volumi successivi da 50 millilitri del 25%50%75% e soluzioni di etanolo al 100% per almeno sei ore per soluzione.
Dopo l'ultimo scambio di solventi, asciugare gli idrogel in un essiccatore supercritico con anidride carbonica, con un set point di 35 gradi Celsius e 1200 libbre per pollice quadrato. Al termine dell'essiccazione, lasciare equilibrare la camera per almeno 12 ore prima di aprire l'essiccatore per la rimozione degli aerogel. Per caratterizzare gli aerogel compositi scansionando la microscopia elettronica, utilizzare una lama di rasoio per tagliare ogni gel in sezioni spesse da uno a due millimetri e utilizzare il nastro di carbonio per fissare il campione di pellicola sottile su uno stub di campioni di microscopio elettronico a scansione.
Caricare lo stub sul microscopio e utilizzare una tensione iniziale di accelerazione di 15 kilovolt e una corrente di fascio da 2,7 a 5,4 picoamps per immaginare il campione. Per analizzare gli aerogel mediante diffractometria a raggi X, posizionare l'aerogel nanofibra-palladio di cellulosa in un supporto campione e allineare la parte superiore dell'aerogel con la parte superiore del supporto. Quindi, eseguire scansioni di diffrazione a raggi X per angoli di diffrazione due theta da cinque a 90 gradi a 45 kilovolt e 40 milliarti con radiazione K-alfa di rame, una dimensione del passo di due theta di 0130 gradi e 20 secondi per passo.
Per l'analisi gravimetrica termica, posizionare un campione di aerogel nel crogiolo dello strumento ed eseguire l'analisi fluendo gas azoto a 60 millilitri al minuto con riscaldamento a 10 gradi al minuto dalla temperatura ambiente a 700 gradi Celsius. Per l'adsorbimento-desorbimento del gas azoto, degasare i campioni per 24 ore a temperatura ambiente prima di utilizzare l'azoto a meno 196 gradi Celsius come gas di prova con tempi di equilibrazione per l'adsorbimento e il desorbimento rispettivamente di 60 e 120 secondi. Per la caratterizzazione elettrochimica, immergere i campioni di aerogel in elettrolita di acido solforico 0,5 molare per 24 ore prima di posizionare un filo rivestito di lacca con una punta esposta di un millimetro a contatto con la superficie superiore dell'aerogel nella parte inferiore del flaconcino elettrochimico.
Quindi, utilizzare una cella a tre elettrodi con un controelettrico ausiliario in filo di platino di 0,5 millimetri di diametro argento/argento e un elettrodo di lavoro in platino rivestito di lacca di 0,5 millimetri per eseguire spettro di impedenza elettrochimica microscopia da un megahertz a un millihertz con un'onda sine da 10 millivolt e voltammetria ciclica utilizzando un intervallo di tensione da meno 0,2 a 1,2 volt con velocità di scansione di 10, 25 anni, 50 e 75 millivolt al secondo. La spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier può essere eseguita come dimostrato per confermare il collegamento incrociato dell'idrogel in nanofibra di cellulosa. Qui, vengono mostrati idrogel di nanofibra di cellulosa covalentemente reticolti prima e dopo l'equilibrazione attraverso una serie di concentrazioni di cloruro di palladio di ammonio o cloruro di palladio di sodio.
Qui, i gel di nanofibra-palladio a nanofibra di cellulosa ridotti sono mostrati prima e dopo l'essiccazione composita dell'aerogel supercritico. In generale, gli aerogel presentano legamenti fibrillari interconnessi con una dimensione crescente della nanoparticella, correlando con un aumento della concentrazione di soluzione di palladio mediante microscopia elettronica a scansione. Gli spettri di diffractometria a raggi X per il palladio e l'idruro di palladio diventano più contorti con l'aumento della concentrazione di sintesi del palladio fino a quando gli spettri non sono più distinguibili a 1.000 millimolare, correlando con l'aumento dei diametri delle nanoparticelle osservato dalla microscopia elettronica a scansione.
L'analisi degli spettri termogravimetrici rivela un crescente contenuto di metalli negli aerogel compositi nanofibra-palladio di cellulosa all'aumentare della concentrazione della soluzione di palladio di sintesi. I dati di fisisorbimento dimostrano un isoterma adsorbimento-desorbimento di tipo IV, che indica una struttura mesoporosa e macroporosa, e l'analisi delle dimensioni dei pori di Barrett-Joyner-Halenda indica una frequenza decrescente di mesopori all'aumentare del contenuto di palladio dell'aerogel. Gli spettri spettroscopia di impedenza elettrochimica illustrano la bassa resistenza al trasferimento di carica e la capacità a doppio strato per l'aerogel composito nanofibra-palladio di cellulosa.
Inoltre, le scansioni cicliche della voltammetria indicano l'adsorbimento e il desorbimento dell'idrogeno a potenziali inferiori a zero volt, così come i caratteristici picchi di ossidazione e riduzione per il palladio superiori a 0,5 volt. Ricordarsi di risciacquare i gel con concentrazioni incrementali di acqua ed etanolo poiché il gonfiore osmotico da grandi differenze di concentrazione può rompersi l'idrogel. Incorporare altri materiali come grafene e nanotubi di carbonio per biomodelli compositi può essere possibile ottenere una maggiore durata meccanica e conducibilità degli aerogel.
L'uso di idrogel covalenti in nanofibra di cellulosa per ottenere aerogel compositi metallici porosi offre una via di sintesi per altri materiali metallici nobili e di transizione in una varietà di fattori di forma. Alte concentrazioni di boroidro acquoso di sodio si trae dalla produzione di gas idrogeno infiammabile. È importante ridurre elettrochimicamente i campioni in un'area ben ventilata, lontano dalle fiamme libere.
