Name: a salt-templated synthesis method for porous platinum-based macrobeams and macrotubes
Uploaded: 2020-05-18T15:00:00
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この作品は、米国陸軍士官学校教員開発研究基金の助成金によって資金提供されました.著者らは、アメリカ陸軍戦闘能力開発司令部のクリストファー・ヘインズ博士の支援に感謝している。著者らはまた、ニューヨーク州ウォーターヴリートの米陸軍CCDC軍備センターでFIB-SEMを使用したジョシュア・マウラー博士に感謝したいと考えています。

注意: 使用前に、関連するすべての化学安全データシート(SDS)を参照してください。化学反応を行う際には適切な安全慣行を使用して、ヒュームフードと個人用保護具の使用を含めます。電気化学的還元中の急速な水素ガスの進化は、反応管内の高圧を引き起こし、キャップが飛び出し、溶液が噴霧される可能性があります。プロトコルで指定されたように、反応管キャップが開いたままであ...

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	<li>Chen, A., Holt-Hindle, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Platinum-Based+Nanostructured+Materials:+Synthesis,+Properties,+and+Applications.">Platinum-Based Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Applications.</a> Chemical Reviews. 110 (6), 3767-3804 (2010).</li><li>Narayanan, R., El-Sayed, M. 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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt-Templated+Hierarchically+Porous+Platinum+Macrotube+Synthesis.">Salt-Templated Hierarchically Porous Platinum Macrotube Synthesis.</a> Chemistry Select. 3 (16), 4542-4546 (2018).</li><li>Burpo, F., Nagelli, E., Morris, L., Woronowicz, K., Mitropoulos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt-Mediated+Au-Cu+Nanofoam+and+Au-Cu-Pd+Porous+Macrobeam+Synthesis.">Salt-Mediated Au-Cu Nanofoam and Au-Cu-Pd Porous Macrobeam Synthesis.</a> Molecules. 23 (7), 1701 (2018).</li><li>Burpo, F. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt-templated+platinum-palladium+porous+macrobeam+synthesis.">Salt-templated platinum-palladium porous macrobeam synthesis.</a> MRS Communications. 9 (1), 280-287 (2019).</li><li>Burpo, F. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt-Templated+Platinum-Copper+Porous+Macrobeams+for+Ethanol+Oxidation.">Salt-Templated Platinum-Copper Porous Macrobeams for Ethanol Oxidation.</a> Catalysts. 9 (8), 662 (2019).</li><li>Magnus, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ueber+einige+Verbindungen+des+Platinchlor&#252;rs.">Ueber einige Verbindungen des Platinchlor&#252;rs.</a> Annalen der Physik. 90 (10), 239-242 (1828).</li><li>Vauquelin, N. 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この合成方法は、結合材料を必要としない自立フィルムに押し込まれる可能性のある調整可能なナノ構造および元素組成を有する、白金ベースのマクロチューブおよびマクロビームを高表面積にする、比較的高速なアプローチを示す。高アスペクト比針状テンプレートとしてのマグナスの塩誘導体の使用は、塩テンプレートのトイチオメトリーを介して得られた金属組成を制御する手段を提?...

高い表面積を得るために数多くの合成方法が開発されているが、主に燃料電池1を含む触媒用途用の白金系多孔質系材料である。このような材料を達成するための1つの戦略は、単分散ナノ粒子を球体、立方体、電線、チューブ2、3、4、5の形で合成することです。離散ナノ粒子を機能デバイス用の多孔質構造に統合するために、ポリマー結合剤および炭素添加剤がしばしば6,7を必要とする。この戦略は、余分な処理ステップ、時間を必要とし、質量特異的性能の低下、ならびに拡張デバイス使用時のナノ粒子の凝集を引き起こす可能性がある8.もう一つの戦略は、合成されたナノ粒子の合体を、その後の超臨界乾燥9、10、11で金属ゲルに駆動することです。貴金属に対するゾルゲル合成アプローチの進歩は、数週間から数時間または数分の速さでゲル化時間を短縮しているが、得られるモノリスは、装置12での実用化を妨げる機械的に脆弱である傾向がある。
白金合金および多金属3次元多孔性ナノ構造体は、触媒特異性に対するタンナビリティを提供するとともに、白金13,14の高コスト及び相対的希少性に対処する。白金-パラジウム15、16、白金銅17、18、19の離散ナノ構造、ならびに他の合金組み合わせ20の報告は数多くあるが、3次元白金合金および多金属構造の溶液ベースの技術を達成するための合成戦略はほとんどなかった。
近年我々は、金、パラジウム、および白金金属ゲル21,22を迅速に生成する高濃度塩溶液および還元剤の使用を実証した。高濃度塩溶液および還元剤は、ゼラチン、セルロース、シルク23、24、25、26を用いたバイオポリマー貴金属複合材料の合成にも使用された。不溶性塩は、還元可能なイオンの最高濃度を表し、Xiaoたちは2次元金属酸化物27,28の合成を実証するために使用された。高濃度塩溶液から多孔質貴金属エアロゲルおよび複合材料のデモンストレーションを行い、不溶性塩の高密度イオンを活用して、マグナスの塩および誘導体を形状テンプレートとして使用し、多孔質貴金属マクロチューブとマクロビーム29、30、31、32を合成しました。
マグナス塩は逆に帯電した正方形の平板白金イオン[PtCl4]2-と[Pt(NH3)4]2+33を加えて組み立てる。 同様に、ヴォークラン塩は逆に荷電したパラジウムイオンの組み合わせから形成される[PdCl4]2-および[Pd(NH3)4]2+2+ 34。前駆体塩濃度が100mMの場合、得られた塩結晶は長さ10~100マイクロメートルの針を形成し、角幅は約100nm〜3μmである。塩テンプレートは電荷中性であるが、マグヌスの塩誘導体をイオン種間で変えて、[Cu(NH3)4]2+を含むように、結果として生じる還元金属比を制御できる。イオンの組み合わせ、および化学還元剤の選択は、角断面および融合ナノ粒子またはナノフィブリルからなる多孔質ナノ構造を有するマクロチューブまたはマクロビームのいずれかをもたらす。マクロチューブやマクロビームも自由立ち膜に押し込まれ、電気化学的に活性な表面積を電気化学的インピーダンス分光法および環状ボルタンメトリーで決定した。塩テンプレートアプローチは、白金マクロチューブ29、白金パラジウムマクロビーム31を合成するために使用され、銅、銅白金マクロチューブ32を組み込むことによって材料コストを下げ、触媒活性を調整するために努力した。塩テンプレート法は、Au-PdおよびAu-Pd-Cuバイナリおよび三級金属マクロチューブおよびナノフォーム30についても実証された。
ここでは、不溶性マグナスの塩針テンプレート29、31、32から白金、白金・パラジウム、及び銅・白金二金属多孔質マクロチューブ及びマクロビームを合成する方法を提示する。塩針テンプレート中のイオン量測定の制御は、化学還元後の金属比の制御を提供し、X線回折法およびX線光電子分光法で検証することができます。得られたマクロチューブおよびマクロビームは、ハンド圧力で自立したフィルムに組み立て、形成することができる。得られたフィルムは、H2SO4およびKCl電解質における電気化学的インピーダンス分光法および環状ボルタンメトリーによって決定される高い電気化学的活性表面積(ECSA)を示す。この方法は、白金ベースの金属組成、空隙率、ナノ構造体を、より幅広い塩テンプレートに一般化できる迅速かつスケーラブルな方法で制御する合成経路を提供する。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>50 mL Conical Tubes</td>
			<td>Corning Costar Corp.</td>
			<td>430290</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ag/AgCl Reference Electrode</td>
			<td>BASi</td>
			<td>MF-2052</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cu(NH3)4SO4&#159;&#8226;H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>10380-29-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dimethylamine borane (DMAB)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>74-94-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>K2PtCl4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>10025-99-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Miccrostop Lacquer</td>
			<td>Tober Chemical Division</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Na2PdCl4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>13820-40-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaBH4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>16940-66-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarized Optical Microscope</td>
			<td>AmScope</td>
			<td>PZ300JC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Biologic-USA</td>
			<td>VMP-3</td>
			<td>Electrochemical analysis-EIS, CV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt wire electrode</td>
			<td>BASi</td>
			<td>MF-4130</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt(NH3)4Cl2&#159;&#8226;H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>13933-31-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope</td>
			<td>FEI</td>
			<td>Helios 600</td>
			<td>EDS performed with this SEM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shelf Rocker</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Vari-Mix&#8482; Platform Rocker</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Snap Cap Microcentrifuge Tubes, 1.7 mL</td>
			<td>Cole Parmer</td>
			<td>UX-06333-60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray diffractometer</td>
			<td>PanAlytical</td>
			<td>Empyrean</td>
			<td>X-ray diffractometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray photoelectron spectrometer</td>
			<td>ULVAC PHI - Physical Electronics</td>
			<td>VersaProbe III</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a salt-templated synthesis method for porous platinum-based macrobeams and macrotubes

高い表面積の多孔質貴金属ナノ材料の合成は、一般的に、形成前のナノ粒子の時間のかかる合体に依存し、その後、すすりと超臨界乾燥ステップが続き、しばしば機械的に脆弱な材料をもたらす。ここでは、不溶性塩針テンプレートから正方形の断面を用いて、ナノ構造の多孔質白金ベースマクロチューブおよびマクロビームを合成する方法を提示する。逆に帯電した白金、パラジウム、銅正方形の平板イオンの組み合わせにより、不溶性塩針の急速な形成が生じます。塩テンプレートに存在する金属イオンの化学還元率と化学還元剤の選択に応じて、マクロチューブまたはマクロビームのいずれかが融合ナノ粒子またはナノフィブリルのいずれかで構成される多孔性ナノ構造で形成される。マクロチューブおよびマクロビームの元素組成は、X線回折法とX線光電子分光法で決定され、塩鋳型に存在する金属イオンの量論比によって制御される。マクロチューブおよびマクロビームは、自由な立体フィルムに押し込まれ、電気化学的に活性な表面積は、電気化学的インピーダンス分光法および環状ボルタンメトリーで決定される。この合成方法は、結合材料を必要としない自立フィルムに押し込まれる可能性のある調整可能なナノ構造および元素組成を有する、白金ベースのマクロチューブおよびマクロビームを高表面積にする、比較的高速なアプローチを示す。

逆に帯電した正方形の平坦な貴金属イオンの添加は、高アスペクト比塩結晶のほぼ瞬時形成をもたらす。正方形の平坦イオンの線形積層を図1に概略的に示し、偏光光学顕微鏡画像は10から100の長さの塩の針を明らかにする。白金、パラジウム、銅塩の溶液に100mMの濃度を使用しました。塩針テンプレートは、全カチオンとアニオン電荷が等しいという形で中性電荷を有?...

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A Salt-Templated Synthesis Method for Porous Platinum-based Macrobeams and Macrotubes

不溶性塩針テンプレートの化学的還元を通じて、正方形の断面を有する多孔性白金ベースマクロチューブ及びマクロビームを得るための合成法を提示する。

多孔質白金ベースマクロビームおよびマクロチューブの塩鋳合成法

The synthesis of high surface area porous noble metal nanomaterials generally relies on time consuming coalescence of pre-formed nanoparticles, followed ...

このプロトコルは、高い表面積、高アスペクト比白金のマクロビームと正方形の断面を持つマクロチューブの高アスペクト比プラチナを合成するための簡単で、比較的高速な方法を提供しています。塩およびめっき法により、鋳型金属イオン比と得られた質量組成、およびマクロビームおよびマクロチューブナノ構造の制御が可能になる。マクロビームおよびマクロチューブプレスフィルムは、触媒およびセンシング用途のための積分3次元電極の必要性に対処することができる。マクロビームやマクロチューブを形成するために化学的に還元されるマグナ塩誘導体の能力は、塩テンプレート合成法が、より広い範囲の金属塩に適用され得ることを示唆している。マグヌス塩を1~0~1白金2プラスから白金2プラス、2つの負の比で調製するには、100ミリモルのテトラクロロ白金の0.5ミリリットルをミクロフュージチューブに加え、100ミリモルテトラミン白金(II)塩化水和物を100ミリモルテトラミン白金(II)塩化水素水和物を強制的にピペットレット100ミリリットルのテトラミン白金(II)水和物に加えます。得られた1ミリリットルの体積塩針テンプレート溶液は、緑色のような不透明を示すであろう。プラチナ-パラジウム塩の針テンプレートを1~1~0個用意するには、水中の0.5ミリリットルのテトラアンミン白金(II)塩化水和物をマイクロ遠心分離チューブに加え、100ミリモルモルナトリウムテトラクロロパラダートの0.5ミリリットルを強引にピペットします。2~1~1個の白金-パラジウム塩針テンプレートを調製するには、0.25ミリモルナトリウムテトラクロロパラデートの0.25ミリリットルと100ミリモルカリウムテトラクロロ白金100ミリリットルをミクロフュージチューブに加えます。100ミリモル四元アミン白金(II)塩化水をチューブに水和した水を100ミリモルの0.5ミリリットルを強制的にピペットする前に、チューブを3〜5秒間ボルテックスします。3~1~2個の白金パラジウム塩針テンプレートを調製し、ピペット0.167ミリリットルのテトラクロロパラデートナトリウム100ミリモル及び0.333ミリリットルの100ミリモルカリウムテトラクロロ白化物をミクロフュージチューブに調製する。ボルテックス後、100ミリモル四張アミン白金(II)塩化水をチューブに水和した100ミリモルのピペット0.5ミリリットルを強引にする。プラチナ比が高い塩テンプレートは、より緑豊かな色を生成する必要がありますが、パラジウムの内容が増加するテンプレートは、溶液内でより多くのオレンジ色、ピンク色、茶色の色になります。1~0~1塩比の銅-白金塩針テンプレートを調製するには、0.5ミリモルカリウムテトラクロロ白金をミクロフュージチューブに加え、マイクロフュージチューブに水中の100ミリモルテトラアンミン銅(II)硫酸塩0.5ミリリットルを強引に加えます。3対2塩比の銅-白金塩針テンプレートを作成するには、100ミリモル四トラアミン白金(II)塩化水和水と100ミリモルテトラアンミン銅(II)硫酸100ミリリットルの0.333ミリリットルをチューブに加えます。ボルテックス後、100ミリモルカリウムテトラクロロ白金を0.5ミリリットルの強引きチューブに加えます。2対1塩比の銅-白金塩針テンプレートを準備するには、100ミリモルテトラアンミン白金(II)塩化水和水、100ミリモルテトラアンミン銅(II)硫酸100ミリリットルをマイクロフュージチューブに0.25ミリリットル、マイクロフュージチューブに3秒間用いたマイクロフュージチューブを3秒間に加えます。次いで、管に100ミリモルカリウムテトラクロロ白金の0.5ミリリットルを強引にピペット化する。1~1~0塩比の銅-白金塩針テンプレートを調製し、ピペット0.5ミリリットルの100ミリモルテトラアンミンプラティナムプラタン(II)塩化水和水をミクロフュージチューブに、100ミリモルカリウムテトラクロ白金をチューブに強制的にピペット0.5ミリリットルを加えて、1ミリリットルの塩質塩のテンプレートを得た。銅と白金イオンの組み合わせにより、白金およびパラジウム溶液ほど不透明ではない紫色の曇り溶液が形成されます。白金-パラジウム塩テンプレートの化学的還元を行うために、4つの50ミリリットル円錐形チューブのそれぞれに0.1モルモルのホウ水素化ナトリウム溶液を50ミリリットル加え、各チューブに1つの白金-パラジウム塩テンプレート溶液の1ミリリットルの体積全体を加えます。銅-白金塩テンプレートの化学的還元を行うために、4つの50ミリリットル円錐形チューブのそれぞれに0.1モルDMAB溶液を50ミリリットル加え、1つの銅-白金塩テンプレート溶液の1ミリリットルの体積全体をヒュームフードの下の各チューブに加えます。24時間後、各減水溶液から上清を廃棄物容器にゆっくりと脱カフェインし、注意を払い、サンプルを注ぎ出して新しい50ミリリットルチューブに沈殿物を移す。各チューブに50ミリリットルの脱イオン水を充填し、しっかりとキャップされたチューブを24時間穏やかな揺れでインキュベートします。翌日、チューブラックにチューブを15分間直立させて、サンプルが堆積してからゆっくりと上澄みを注ぎます。各チューブに50ミリリットルのイオン化水を補充し、サンプルをさらに24時間揺らします。インキュベーションの最後に、チューブをラックに15分間置き、できるだけ透明または灰色の上澄み物をデカントします。マクロチューブやマクロビームフィルムを準備するには、ピペットまたはヘラを使用して、各々の沈殿物を個々のガラススライドに優しくチューブに移し、サンプルを均一な杭(約0.5ミリメートル)に統合します。その後、24時間気流に邪魔されない場所にスライドを置きます。サンプルが乾燥したら、乾燥した各サンプルに2番目のガラススライドを置き、手動で約200キロパスカルの力を上のスライドに適用して、マクロチューブ、またはマクロビームの薄膜を下のスライドに作成します。サンプルの走査電子顕微鏡では、カーボンテープを用いて薄膜を走査型電子顕微鏡サンプルスタブに固定し、初期加速電圧を15キロボルトに、ビーム電流を2.7~5.4ピコインに設定します。次に、大きなサンプル領域にズームアウトし、エネルギー分散X線スペクトルを収集してサンプルの元素組成を定量化します。X線回折二重数値解析では、薄膜サンプルスライドをスキャン段階に置き、X線回折角を45キロボルトで5~90度、銅K-α放射で40ミリアンペア、0.0130度の2つのθステップサイズ、1ステップあたり20秒の回折角度をスキャンします。活性物質のミリグラムによる電気化学的測定を正規化するには、サンプルを個々の電気化学バイアルに移し、各サンプルに0.5モル硫酸を穏やかに加えて室温で24時間インキュベーションします。翌日、各電気化学バイアルの底部にフィルムの上面に接触した個々の3つの電極セルから1ミリメートル露出した先端を持つラッカー被覆ワイヤーを配置する。そして、ゼロボルトで10ミリボルトの正石波で1メガヘルツから1ミリヘルツまでの電気化学的インピーダンス分光を行います。次に、1秒あたり10、25、50、75、100ミリボルトのスキャンレートで、マイナス0.2〜1.2ボルトの電圧範囲を使用してサイクリックボルタンメトリーを実行します。逆に帯電した正方形の平坦な貴金属イオンの添加は、高アスペクト比塩結晶のほぼ瞬時形成をもたらす。白金マイナスイオンに対する白金正極比の1対1の割合で形成されたマグヌス塩の化学的還元と、一般的に中空の内腔および多孔質側壁を有するマクロチューブを用いたホウドリドナトリウムの還元が生じる。マクロチューブは、一般的に塩針テンプレートの幾何学に準拠し、平らな側壁と正方形の断面を有するDMAB還元白金マクロチューブは、約3マイクロメートルの側面を有する最も明確で最大の正方形の断面を提示する。DMABは銅-白金マクロチューブ側壁が低下するマクロチューブ側壁もまた、有意な空隙率を伴わない高テクスチャ表面を示す。白金および白金-パラジウムマクロチューブおよびマクロビーム化学組成は、X線回折で最初に特徴づけることができる。DMAB還元マクロチューブのX線回折分析は、相対的な塩鋳型トキチオメトリーに応じて、白金または銅のいずれかに向かってシフトする超課されたピークを明らかにし、合金組成を示唆している。ホウ水素化ナトリウム還元銅白金マクロビームは、双金属組成を示唆する明確な銅および白金X線回折ピークを示す。白金マクロチューブ用のX線写真電子スペクトルは、酸化物種の証拠をほとんど示さないことを示し、触媒活性表面を示唆している。白金-パラジウムマクロビーム用X線写真電子スペクトルも金属酸化物含有量の指標を示さない。まあ、押されたフィルムはピンセットで操作することができます。破砕を防ぐために、フィルムを電気化学バイアルに移す際には注意が必要です。マクロビームやマクロチューブを一体型のフィルムに押し込む能力を考えると、弾性と柔軟性のあるモジュラーを決定するための機械的特性化も行うことができます。塩テンプレートは、細孔の合成のために、高表面積材料は、研究者が金属塩の広い範囲を探求し、得られた金属、合金および多金属材料を可能にする必要があります。

Research

JoVE Journal

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