Este método usando hidrogéis covalentes de biopolímero de nanopolímera de celulose para alcançar um composto de aerogel metálico de paládio pode ser generalizável para uma ampla gama de modelos biopolímeros e metais. Este método de síntese de aerogel composto usa nanofibras de celulose como uma biotemplata para alcançar o controle sobre a nanoestrutura metálica do pálio e a forma de monólito de aerogel macroscópico. O controle de forma e a integridade mecânica dos aerogels metálicos biotemplatados devem facilitar as aplicações para catalise, armazenamento de energia e sensoriamento.
Este método pode ser aplicado para desenvolver ainda mais modelos de metais de carbono biopolímeros e para obter melhor controle de nanoestruturas tridimensionais em materiais compostos de aerogel. Para preparar uma solução de nanofibra de celulose, misture primeiro 1,5 gramas de nanofibras de celulose carboximetil com 50 mililitros de água desionizada. Depois de tremer, vórtice a solução por um minuto, seguido de uma incubação de 24 horas em um sonicator de banho à temperatura ambiente para garantir a mistura completa.
Na manhã seguinte, adicione 0,959 gramas de EDC e 0,195 gramas de tampão MES a 2.833 mililitros de água deionizada. Em seguida, ajuste o volume final para 10 mililitros e um pH de 4,5 com ácido clorídrico de um molar e água desionizada. Em seguida, transfisse 0,25 mililitros da solução de nanofibra de celulose de 3% para cada um dos seis tubos de microfuge, e sedimente as nanofibras por centrifugação.
Use uma pipeta para aspirar o excesso de água acima das nanofibras compactadas, evitando o contato com a superfície superior. Adicione um mililitro da solução de crosslinking EDC e diamine acima das nanofibras de celulose compactadas em cada tubo de microfuge. Aguarde pelo menos 24 horas para que a solução de crosslinking se difunda através dos géis para cruzar as nanofibras de celulose.
Em seguida, aspire a solução de crosslinking supernante dos tubos de microfuge, e imerge os tubos de microfuge em um litro de água desionizada por pelo menos 24 horas com as tampas abertas para remover qualquer solução de crosslinking em excesso de dentro dos hidrogéis nanofibra. No dia seguinte, adicione aproximadamente 0,5 mililitros de uma solução de nanofibra de celulose de 3% em água desionizada ao estágio amostral de um espectrômetro infravermelho de transformação fourier, e escaneie a transmissão por cento para 650 a 4.000 centímetros recíprocos. Para preparar a solução de paládio, vórtice 10 mililitros de cloreto de amônio de paládio de um molar por 15 segundos antes de diluir a solução para volumes de um mililitro em um, 10, 50, 100, 500 e 1.000 mililitros em água desionizada.
Em seguida, adicione um mililitro de cada diluição ao topo das amostras individuais de hidrogel de nanofibra de celulose, e permita que as soluções de paládio se equilibrem dentro dos hidrogéis por 24 horas. No dia seguinte, prepare 60 mililitros de boroidridido de sódio de dois molares e pipeta 10 mililitros em cada um dos seis tubos cônicos de 15 mililitros em um capô de fumaça, e transfie os tubos de hidrogéis de nanofibra de celulose equilibrados de páplica para o capô da fumaça. Usando o equipamento de proteção pessoal adequado, inverta um tubo de microcentrifuuge e toque suavemente no tubo para remover o hidrogel, usando pinças planas para transferir o hidrogel para um dos tubos de boroidridido de sódio.
Após 24 horas, transfira cada hidrogel reduzido em uma segunda solução de redução de boroidridido de sódio de 24 horas e 0,5 molar antes de enxaguar os géis compostos de nanofibra-paládio de celulose em 50 mililitros de água desionizada em novos tubos cônicos. Troque a água deionizada após 12 horas e deixe os géis enxaguarem por pelo menos mais 12 horas. Em seguida, use pinças planas para transferir os géis de nanofibra-paládio de celulose enxaguada para volumes sucessivos de 50 mililitros de 25%50%75% e 100% de etanol por pelo menos seis horas por solução.
Após a última troca de solventes, seque os hidrogéis em um secador supercrático com dióxido de carbono, com um ponto de ajuste de 35 graus Celsius e 1200 libras por polegada quadrada. Quando a secagem estiver completa, deixe a câmara equilibrar por pelo menos 12 horas antes de abrir a secadora para a remoção dos aerogels. Para caracterizar os aerogels compostos escaneando microscopia eletrônica, use uma lâmina de barbear para cortar cada gel em seções de um a dois milímetros de espessura, e use fita de carbono para fixar a fina amostra de filme em um stub de amostra de microscópio eletrônico de varredura.
Carregue o stub no microscópio e use uma tensão acelerada inicial de 15 quilovolts e uma corrente de feixe de 2,7 a 5,4 picoamps para a imagem da amostra. Para analisar os aerogels por diffractometria de raios-X, coloque o aerogel de nanofibra-paládio de celulose em um suporte de amostra e alinhe a parte superior do aerogel com a parte superior do suporte. Em seguida, realize exames de difração de raios-X para ângulos de difração dois de cinco a 90 graus a 45 kilovolts e 40 miliamperes com radiação K-alfa de cobre, um tamanho de dois de 0130 graus, e 20 segundos por passo.
Para análise gravimétrica térmica, coloque uma amostra de aerogel no cadinho do instrumento, e realize a análise fluindo gás nitrogênio a 60 mililitros por minuto com aquecimento a 10 graus por minuto a partir da temperatura ambiente a 700 graus Celsius. Para adsorção-desorção de gás nitrogênio, degas as amostras por 24 horas à temperatura ambiente antes de usar nitrogênio a menos 196 graus Celsius como o gás de teste com tempos de equilíbrio para adsorção e desorção de 60 e 120 segundos, respectivamente. Para caracterização eletroquímica, mergulhe as amostras de aerogel em eletrólito de ácido sulfúrico de 0,5 molar por 24 horas antes de colocar um fio revestido de laca com uma ponta exposta de um milímetro em contato com a superfície superior do aerogel na parte inferior do frasco eletroquímico.
Em seguida, use uma célula de três eletrodos com um cloreto de prata/prata de 0,5 milímetros de diâmetro do contador auxiliar de fio de platina e um eletrodo de platina revestido de laca de 0,5 milímetros de diâmetro para executar impedância eletroquímica espectroscopia de um mega-hertz a um milihertz com uma onda seno de 10 miléstidos e voltammetry cíclica usando uma faixa de tensão de menos 0,2 a 1,2 volts com taxas de varredura de 10, 25, 50, e 75 milivolts por segundo. A espectroscopia infravermelha de quatro transformações pode ser realizada como demonstrado para confirmar a ligação cruzada do hidrogel de nanofibra de celulose. Aqui, hidrogéis de nanofibra de celulose cruzadas covalentemente cruzados antes e depois do equilíbrio através de uma gama de cloreto de amônio paládio ou concentrações de cloreto de paládio de sódio são mostrados.
Aqui, os géis de nanofibra-paládio de celulose reduzido são mostrados antes e depois da secagem composta de aerogel supercrítica. Em geral, os aerogels apresentam ligamentos fibrilares interconectados com um tamanho crescente de nanopartículas, correlacionando-se com um aumento na concentração de solução de paládio por meio da microscopia eletrônica de varredura. Espectros de difratometria de raios-X para o hidrúdio paládio e paládio tornam-se mais complicados com o aumento da concentração de síntese de paládio até que os espectros não sejam mais distinguíveis em 1.000 mililitros, correlacionando-se com o aumento dos diâmetros das nanopartículas observadas pela microscopia eletrônica de varredura.
A análise de espectro termogravimétrico revela um crescente teor metálico nos aerogéis compostos de nanofibra-paládio de celulose à medida que a concentração de solução de paládio da síntese aumenta. Os dados de fissionação demonstram um isotânico desorção-desorpção tipo IV, indicando uma estrutura mesoporosa e macroporosa, e a análise do tamanho dos poros de Barrett-Joyner-Halenda indica uma frequência decrescente de mesoporos à medida que o conteúdo do paládio aerogel aumenta. Espectroscopia de impedância eletroquímica ilustram a baixa resistência à transferência de carga e a capacitância de camada dupla para o aerogel composto de nanofibra-paládio de celulose.
Além disso, as varreduras de voltametria cíclica indicam adsorção e desorção de hidrogênio em potenciais inferiores a zero volts, bem como picos característicos de oxidação e redução para paládio superior a 0,5 volts. Lembre-se de enxaguar os géis com concentrações incrementais de água e etanol, pois o inchaço osmótico de grandes diferenças de concentração pode romper o hidrogel. A incorporação de outros materiais como grafeno e nanotubos de carbono para biotemplatas compostas pode ser possível alcançar maior durabilidade mecânica e condutividade dos aerogels.
O uso de hidrogéis covalentes de nanofibra de celulose para alcançar aerogel compostos metálicos porosos oferece uma rota de síntese para outros materiais metálicos nobres e de transição em uma variedade de fatores de forma. Altas concentrações de boroidido de sódio aquoso resultam na produção de gás hidrogênio inflamável. É importante reduzir eletroquimicamente as amostras em uma área bem ventilada, longe das chamas abertas.
