Этот метод с использованием целлюлозы нановофибер биополимер ковалентных гидрогелий для достижения палладий металла аэрогель композитных может быть обобщенным для широкого спектра биополимерных шаблонов и металлов. Этот метод синтеза композитного аэрогеля использует целлюлозные нановофибры в качестве биотемплии для достижения контроля над наноструктурой наноструктуры из паллийного металла и макроскопической формой монолита аэрогеля. Контроль формы и механическая целостность биотемплатных металлических аэрогелей должны облегчить применение катализа, хранения энергии и зондирования.
Этот метод может быть применен для дальнейшей разработки биополимерных шаблонов углеродного металла и для достижения лучшего контроля трехмерных наноструктур в композитных аэрогелевых материалах. Для приготовления раствора целлюлозной нановофиберы сначала смешайте 1,5 грамма карбоксиметиловой целлюлозы нановолетов с 50 миллилитров деионизированной воды. После встряхивания, вихрь раствор в течение одной минуты, а затем 24-часовой инкубации в ванне sonicator при температуре окружающей среды, чтобы обеспечить полное смешивание.
На следующее утро добавьте 0,959 грамма ЭДК и 0,195 грамма буфера МЕУ до 2,833 миллилитров деионизированной воды. Затем отрегулируйте окончательный объем до 10 миллилитров и рН 4,5 с одномололярной соляной кислотой и деионизированной водой. Затем перенесите 0,25 миллилитров 3%-целлюлозного раствора нановофибры в каждую из шести трубок микрофуга и от осадки нановонфильщиков центрифугированием.
Используйте пипетку, чтобы аспирировать избыток воды над уплотненной нановофиберой, избегая при этом контакта с верхней поверхностью. Добавьте один миллилитр EDC и диаминового перекрестного раствора над уплотненной целлюлозной нановонфиберой в каждой микрофуге-трубке. Подождите, по крайней мере 24 часов для перекрестного раствора для диффузного через гели, чтобы пересвоеть целлюлозы нановофиберы.
Затем, аспирировать перекрестный раствор supernatant из микрофуза труб, и погрузить микрофуги труб в один литр деионизированной воды, по крайней мере 24 часов с крышками открыты, чтобы удалить излишки перекрестного раствора изнутри гидрогели нановофибры. На следующий день добавьте приблизительно 0,5 миллилитров раствора нановофиберной пленки 3%-целлюлозы в деионизированной воде к стадии образца инфракрасного спектрометра Fourier-transform и просканирует процентную передачу на 650-4000 сантиметров. Чтобы подготовить раствор палладия, вихрь 10 миллилитров одномядерного хлорида аммония палладия в течение 15 секунд, прежде чем разбавить раствор до одноми миллилитровых объемов в одной, 10, 50, 100, 500 и 1000-миллимолярной концентрации в деионизированной воде.
Затем добавьте один миллилитр каждого разбавления в верхней части отдельных образцов нановоперибера целлюлозы и позвольте растворам палладия уравночные в пределах гидрогелов в течение 24 часов. На следующий день, подготовить 60 миллилитров двух-молярного борогидрида натрия и пипетки 10 миллилитров в каждый из шести 15-миллилитровых конических труб в дым капот, и передать трубки палладия equilibrated целлюлозы нановолет гидрогели на дым капот. Ношение соответствующего оборудования личной защиты, инвертировать один микроцентрифуг трубки и осторожно нажмите трубку, чтобы удалить гидрогель, используя плоские пинцеты для передачи гидрогеля в одну из труб борогидрида натрия.
Через 24 часа перенесите каждый уменьшенный гидрогель во второй 24-часовой, 0,5-молярный раствор борогидрида натрия, прежде чем оповестить целлюлозные нановофиберно-палладиевые композитные гели в 50 миллилитров деионизированной воды в новых конических трубках. Обмен деионизированной воды после 12 часов, и позволяют гели промыть, по крайней мере еще 12 часов. Затем используйте плоские пинцеты для переноса промытых целлюлозных нановофибер-палладийных гелей на последовательные 50-миллилитровые объемы 25%50%75% и 100%этаноловые растворы по крайней мере шесть часов на раствор.
После последнего обмена растворителя высушите гидрогели в сверхкритической сушилке с углекислым газом, с установленной точкой 35 градусов по Цельсию и 1200 фунтов на квадратный дюйм. Когда сушка завершена, дайте камере уравночные по крайней мере 12 часов, прежде чем открыть сушилку для удаления аэрогели. Чтобы охарактеризовать композитные аэрогели путем сканирования электронной микроскопии, используйте лезвие бритвы, чтобы разрезать каждый гель на один-два миллиметра толщиной разделов, и использовать углеродную ленту, чтобы исправить тонкий образец пленки на сканирование электронного микроскопа образца заглушки.
Загрузите заглушку на микроскоп и используйте начальное ускоряющееся напряжение в 15 киловольт и ток луча от 2,7 до 5,4 пикоампов для изображения образца. Чтобы проанализировать аэрогели с помощью рентгеновской дифрактометрии, поместите целлюлозный аэрогель нановофибер-палладий в держатель образца и выровняете верхнюю часть аэрогеля с верхней частью держателя. Затем выполните рентгеновское сканирование дифракции для дифракционных углов два theta от пяти до 90 градусов при 45 киловольтах и 40 миллиампер с медным K-альфа-излучением, два шага в 0130 градусов и 20 секунд в шаге.
Для термического гравиметрического анализа поместите образец аэрогеля в тигле прибора и выполните анализ, пропуская азотный газ на 60 миллилитров в минуту с нагреванием при температуре 10 градусов в минуту от температуры окружающей среды до 700 градусов по Цельсию. Для аудирования газа азота, дегазации образцов в течение 24 часов при комнатной температуре, прежде чем использовать азот при минус 196 градусов по Цельсию в качестве испытательного газа с equilibration раз для adorption и desorption 60 и 120 секунд, соответственно. Для электрохимической характеристики, погрузить образцы аэрогеля в 0,5-молярной серной кислоты электролита в течение 24 часов, прежде чем поместить лак покрытием проволоки с одним миллиметром подвергаются кончик в контакте с верхней поверхности аэрогеля в нижней части электрохимического флакона.
Затем используйте трех электродную ячейку с серебристым/серебряным хлоридом диаметром 0,5 миллиметра, вспомогательный счетчик-электрод с покрытием лака 0,5-миллиметрового диаметра, работающий на платине, для выполнения электрохимического импульса спектроскопия от одного мегагерца до одного миллигерца с 10-миллиметровой синусовой волной и циклической вольтамметрией с диапазоном напряжения от минус 0,2 до 1,2 вольт со скоростью сканирования 10, 25 лет, 50 и 75 милливольт в секунду. Четырехэнергетерная инфракрасная спектроскопия может быть выполнена, как это было продемонстрировано для подтверждения перекрестного скрещивания целлюлозы нанофиберного гидрогеля. Здесь показаны ковалентно взаимосвязанные целлюлозные гидрогели нановоперы до и после эквивалентности в различных концентрациях хлорида аммония палладия или хлорида палладия натрия.
Здесь, снижение целлюлозы нановофибер-палладий гели показаны до и после сверхкритической аэрогеля композитной сушки. В целом, аэрогели представляют собой взаимосвязанные фибрилляжные связки с увеличением размера наночастиц, что коррелирует с увеличением концентрации раствора палладия путем сканирования электронной микроскопии. Рентгеновские спектры дифрактометрии для гидрида палладия и палладия становятся более запутанными с увеличением концентрации синтеза палладия до тех пор, пока спектры больше не будут различимы на 1000 миллимоляре, что коррелирует с увеличением диаметров наночастиц, наблюдаемым при сканировании электронной микроскопии.
Термогравиметрический спектральный анализ показывает увеличение содержания металла в клеточных нановофибер-палладий композитных аэрогелях по мере увеличения концентрации раствора синтеза палладия. Данные физики демонстрируют тип IV adorption-desorption isotherm, указывающий на мезопорную и макропорную структуру, а анализ размера пор Barrett-Joyner-Halenda указывает на уменьшение частоты мезопоров по мере увеличения содержания аэрогеля палладия. Спектры спектроскопии электрохимического импульса иллюстрируют низкое сопротивление переносу заряда и двухслойную емкость для клеточного нановофибер-палладия композитного аэрогеля.
Кроме того, циклические сканирование вольтамметрии указывают на то, что водородная асорпция и десорпция при потенциале менее нуля вольт, а также характерные пики окисления и сокращения палладия, более 0,5 вольт. Не забудьте промыть гели с инкрементными концентрациями воды и этанола, как осмотический отек от больших различий концентрации может разорвать гидрогель. Включение других материалов, таких как графен и углеродные нанотрубки для композитных биотемпластов, может быть возможным для достижения большей механической долговечности и проводимости аэрогелей.
Использование целлюлозных нановофиберных ковалентных гидрогелей для достижения пористых металлических композитных аэрогелей предлагает маршрут синтеза для других благородных и переходных металлических материалов в различных форм-факторах. Высокие концентрации аквеозного борогидрида натрия приводит к выработке легковоспламеняющегося водородного газа. Важно, чтобы электрохимически уменьшить образцы в хорошо проветриваемой области, вдали от открытого пламени.
