Specifikke ioneffekter rettet ædelmetal aerogeler

Noble metal foam (NMF'er) er en ny klasse af funktionelle materialer, der indeholder både ædelmetaller og monolitiske porøse materialer til imponerende multi -perspektiver inden for materialevidenskab og tværfaglige områder. I en nylig undersøgelse nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Ran Du og et team af tværfaglige forskere inden for fysisk kemi, Materialeteknik og fysik udviklede meget afstembare NMF'er ved at aktivere specifikke ioneffekter for at producere en række enkelt-/legeret aerogeler. De nye materialer indeholdt justerbar sammensætning - med guld (Au), sølv (Ag), palladium (Pd) og platin (Pt) - og særlige morfologier.

NMF'erne udviste overlegen ydeevne som programmerbare selvkørende enheder, som forskerne beviste ved hjælp af elektrokatalytiske alkoholoxidationsreaktioner. Undersøgelsen gav en konceptuelt ny tilgang til at konstruere og manipulere NMF'er for at tilvejebringe en overordnet ramme og forstå mekanismerne ved gelering. Arbejdet vil bane vejen frem for at designe on-target NMF'er til at undersøge strukturelle præstationsforhold til en række forskellige applikationer.

Funktionelle porøse materialer er et interessant emne på forkant med materialevidenskaben, kombinerer porøse strukturer og alsidige sammensætninger til tværfaglige applikationer. Ædelmetallskum (NMF'er) er en stigende stjerne i skumfamilien og har vundet enorm opmærksomhed under deres debut. Tilsætning af ædelmetaller til 3D-gelnetværk har forbedret NMF'er med en række forskellige anvendelser, men deres udvikling er stadig i de tidlige stadier med begrænsede fremstillingsstrategier og mindre forståede strukturelle egenskaber, der ikke kan manipuleres godt.

Typisk, NMF'er er konstrueret ved hjælp af fire klasser af metoder, som omfatter:

1. Dealloying
2. Skabelonering
3. Direkte frysetørring, og
4. Sol-gel-processen.

Af disse, sol-gel-processen har i væsentlig grad produceret nanostrukturerede og høje overfladearealer for NMF'er under milde forhold for at blive en populær syntetisk strategi. Alligevel, sol-gel-processen er på et spædbarnsstadium med talrige mysterier omkring processen; begrænser sin udforskning til at forstå geleringsmekanismer til on-demand manipulation.

I det nuværende arbejde, Du et al. præsenteret en metode til hurtig fremstilling og fleksibel manipulation af NMF'er ved at aktivere og designe specifikke ioneffekter. For det, de undersøgte eksperimentelt i dybdegeleringsprocesser sammen med komplementære DFT -beregninger for at skitsere den samlede reaktionsproces. Du et al. realiserede alsidige sammensætninger med flere legeringer, ledbåndsstørrelser, specifikke overfladearealer og rumlig elementfordeling under materialesyntese. Metoden og det enorme ionbibliotek, der er udviklet i arbejdet, vil tilbyde hidtil usete muligheder for at manipulere NMF'er og udvide til forskellige kolloide løsningssystemer, som demonstreret med elektrokatalytisk alkoholoxidation og en mørk-til-skinnende kemisk reaktion.

Du et al. først tilsat guld -nanopartikler (NP) -opløsningen med specifikke salte og jordet den fra 4 til 12 timer for at give hydrogel, frysetørret derefter yderligere for at opnå den tilsvarende aerogel. NMF'erne angav en robust geleringskapacitet og eliminerede fuldstændigt behovet for dyre koncentrationsprocesser. Den fremgangsmåde, som forskerne brugte, gav på en unik måde mulighed for hurtig gelering af metalforstadierne ved lave koncentrationer og omgivelsestemperatur.

For at forklare det ukonventionelle fænomen, de foreslog en tyngdekraft-drevet forsamlingsmodel, hvor de salt-initierede aggregater voksede gradvist og slog sig ned på grund af tyngdekraften for at koncentrere sig og udvikle sig til en hydrogel i bunden. Forskerne støttede denne model ved hjælp af UV-VIS absorptionsspektre til at visualisere hele processen med gelering. Da hydrogeler kan reparere sig selv, materialerne viste lovende selvhelbredende egenskaber i forskellige miljøer uden ekstern energiindgang.

Du et al. gennemført time-lapse karakteriseringsundersøgelser for at teste den ekstremt hurtige dannelse af aggregater med multiskala mikrostrukturer. Derudover de konkurrerede time-lapse transmissionselektronmikroskopi (TEM) og in situ optiske tests for at afsløre de evolutionære fodaftryk af 3D-netværk i forskellige skalaer. Ved hjælp af de analytiske teknikker, forskerne observerede dannelsen af ​​guld nanopartikel (NP) dimerer, efterfulgt af deres gradvise aksiale vækst for at danne nanotrådstrukturerede netværk under sol-gelprocessen ved NMF-fremstilling.

Forskerne viste, hvordan de eksperimentelle resultater varierede formen (gel til pulver) og farve (sort til brun) af ionerne, stærkt at korrelere med de saltningseffekter, der er dikteret af Hofmeister-serien (en klassificering af ioner efter deres evne til at salte eller salt-i proteiner). De brugte time-lapse TEM-billeddannelse til yderligere at afsløre væksttilstanden for NP'er og ligamentstørrelsesvariationen under netværksudvikling og foreslog en mulig mekanisme under NMF-dannelse via sol-gel-processen. Derfor;

1. De originale NP'er nærmede sig øjeblikkeligt hinanden ved tilsætning af salte på grund af elektrostatisk screening.
2. Liganderne blev derefter delvist fjernet fra NP'erne ved modsat ladede kationer
3. Efterfulgt af generation af NP'er til dannelse af aggregater drevet af den forhøjede overfladeenergi af ikke -begrænsede NP'er
4. Aggregaterne gentog processen på tværs af aksiale og radiale retninger
5. For at aggregaterne endelig kan bosætte sig ved tyngdekraft-drevet sedimentation for at danne hydrogel i bunden.

Evnen til systematisk at manipulere ledbåndets størrelse og tilsvarende fysiske egenskaber for NMA'er blev ikke tidligere realiseret. Som resultat, Du et al. grundigt undersøgt geleringsprocessen for at låse op for specifikke ioneffekter og manipulationsstrategier. For det, de valgte bevidst specifikke salte (NH ₄ SCN, NH ₄ INGEN ₃ og KCl) som initiatorer.

De observerede en brun farve for den KCl-inducerede aerogel, mens to andre aerogeler med mindre ledbåndsstørrelser virkede sorte på grund af stærk lysabsorbering / spredning mellem nanoserede domæner. Ændring af ligamentstørrelsen ændrede også deres tæthed, specifikt overfladeareal og porevolumen. Forskerne viste forbedrede resultater for ligamentstørrelse og yderligere egenskaber ved at bruge hybrid-salte i den eksperimentelle opsætning. Baseret på den foreslåede geleringsmekanisme, de udvidede systemet til at omfatte ædelmetaller og deres legeringer (Ag, Pd, og Pt).

Det nuværende arbejde gav faste retningslinjer for at konstruere de fysiske parametre for NMA'er. Dette er et vigtigt resultat, da de fysiske og mekaniske egenskaber ved NMA'er i øjeblikket stadig er en stor udfordring, der skal realiseres. Den ligefremme, syntetisk tilgang introduceret i det foreliggende arbejde gav en række bimetalliske og trimetalliske geler med veldefinerede, afstemmelig core-shell-arkitektur.

Da metaller er bemærkelsesværdigt duktile, forskerne fremkaldte en mørk-til-skinnende overgang ved manuelt at omarrangere NMA'erne fra millimeter til mikrometer skala for at genvinde en metallisk glans med nanostrukturerede "spejloverflader". Du et al. svejset sammen forskellige aerogeler for at danne makroskopiske heterostrukturer og materialernes ekstraordinære plasticitet tillod forskerne vilkårligt at forme og indkapsle NMA'erne i elastomerer til brug som fleksible ledere. Ved hjælp af katalytisk iltudvikling bevarede de de forskellige NMA'er som et alternativ til de dyre platinbaserede ledere.

Under elektrokatalyse af alkohol-elektrooxidationsreaktioner, forskerne viste, at Au-Pd og Au-Pd-Pt aerogeler klarede sig væsentligt bedre sammenlignet med kommercielle Pd/C- eller Pt/C-katalysatorer. Resultaterne viste også højere ydeevne i forhold til tidligere rapporterede NMA'er som Pd-Cu, Pd-Ni og Au-Ag-Pd aerogeler. Imidlertid, forskerne registrerede et betydeligt aktuelt henfald for Au-Pd- og Au-Pd-Pt-aerogelerne under langsigtede tests; et fælles problem for kommercielle katalysatorer. Det optimerede elektrokatalytiske potentiale vil tillade aerogeler at fungere som anodiske katalysatorer i forskellige brændselsceller og forbedre elektrisk ledningsevne for at lette effektiv elektronoverførsel under elektrokatalyse.

På denne måde, Du og kolleger udviklede en specifik ionstyret geleringsstrategi til hurtigt at fremstille og fleksibelt manipulere NMA'er ved stuetemperatur fra en nanopartikelopløsning (NP). Ved hjælp af eksperimentelle resultater og DFT-beregninger foreslog de en overordnet mekanisme for sol-gel-processen. Det nuværende arbejde giver et nyt koncept og ligetil tilgang til at fremstille forskellige NMA'er. Arbejdet vil bane vejen frem for materialeforskere til at designe on-target, alsidige NMF'er til en lang række applikationer, der bruger struktur-ydelsesforhold til at danne ønskelige egenskaber på forespørgsel.

© 2019 Science X Network