Ädelmetallskum (NMF) är en ny klass av funktionella material som innehåller både ädelmetaller och monolitiska porösa material för imponerande multiperspektiv inom materialvetenskap och tvärvetenskapliga områden. I en ny studie som nu publicerats den Vetenskapliga framsteg , Ran Du och ett team av tvärvetenskapliga forskare inom fysikalisk kemi, Materialteknik och fysik utvecklade mycket avstämbara NMF:er genom att aktivera specifika joneffekter för att producera en mängd olika aerogeler med enkel/legering. De nya materialen innehöll justerbar komposition - med guld (Au), silver (Ag), palladium (Pd) och platina (Pt) - och speciella morfologier.

NMF uppvisade överlägsen prestanda som programmerbara självdrivande enheter, som forskarna visade med hjälp av elektrokatalytiska alkoholoxidationsreaktioner. Studien gav ett konceptuellt nytt tillvägagångssätt för att konstruera och manipulera NMF för att ge en övergripande ram och förstå mekanismerna för gelering. Arbetet kommer att bana väg framåt för att designa on-target NMF för att undersöka strukturella prestandarelationer för en mängd olika applikationer.

Funktionella porösa material är ett intressant ämne i framkant av materialvetenskap, kombinerar porösa strukturer och mångsidiga kompositioner för tvärvetenskapliga tillämpningar. Ädelmetallskum (NMF) är en stigande stjärna i skumfamiljen och har fått enorm uppmärksamhet under sin debut. Tillsatsen av ädelmetaller i 3D-gelnät har förbättrat NMF:er med en mängd olika applikationer, men deras utveckling är fortfarande i ett tidigt skede med begränsade tillverkningsstrategier och mindre förstådda strukturella egenskaper som inte kan manipuleras väl.

Vanligtvis, NMF är konstruerade med fyra klasser av metoder, vilket innefattar:

1. Dealloying
2. Mallar
3. Direkt frystorkning, och
4. Sol-gel-processen.

Av dessa, sol-gelprocessen har väsentligt producerat nanostrukturerade och höga ytor för NMF under milda förhållanden för att bli en populär syntetisk strategi. Ändå, sol-gelprocessen är i ett spädbarnsstadium med många mysterier kring processen; begränsar sin undersökning för att förstå geleringsmekanismer för manipulation på begäran.

I det nuvarande arbetet, Du et al. presenterade en metod för snabb tillverkning och flexibel manipulation av NMF genom att aktivera och designa specifika joneffekter. För detta, de studerade experimentellt i djupgeleringsprocesser tillsammans med kompletterande DFT -beräkningar för att beskriva den övergripande reaktionsprocessen. Du et al. realiserade mångsidiga kompositioner med flera legeringar, ligamentstorlekar, specifika ytor och rumslig elementfördelning under materialsyntes. Metoden och det enorma jonbiblioteket som utvecklats i arbetet kommer att erbjuda oöverträffade möjligheter att manipulera NMF och utvidga till olika kolloidala lösningssystem, som demonstrerats med elektrokatalytisk alkoholoxidation och en mörk-till-lysande kemisk reaktion.

Du et al. tillsatte först guldnanopartiklar (NP) -lösning med specifika salter och grundade den från 4 till 12 timmar för att ge hydrogel, frystorkade den sedan ytterligare för att erhålla motsvarande aerogel. NMF:erna indikerade en robust gelningskapacitet och eliminerade fullständigt behovet av dyra koncentrationsprocesser. Metoden som forskarna använde tillät unikt för snabb gelning av metallprekursorerna vid låga koncentrationer och omgivningstemperatur.

För att förklara det okonventionella fenomenet, de föreslog en gravitation-driven monteringsmodell där de saltinitierade aggregaten växte gradvis och slog sig ner på grund av tyngdkraften för att koncentrera sig och utvecklas till en hydrogel i botten. Forskarna stödde denna modell med hjälp av UV-VIS-absorptionsspektra för att visualisera hela processen med gelning. Eftersom hydrogeler kan reparera sig själv, materialen uppvisade lovande självläkande egenskaper i olika miljöer utan extern energiinmatning.

Du et al. genomförde time-lapse karakteriseringsstudier för att testa den extremt snabba bildningen av aggregat med multiskala mikrostrukturer. Dessutom, de tävlade tidsförloppsöverföringselektronmikroskopi (TEM) och in situ optiska tester för att avslöja de evolutionära fotspåren av 3D-nätverk i olika skalor. Med hjälp av analytiska tekniker, forskarna observerade bildandet av guld -nanopartikel (NP) dimerer, följt av deras gradvisa axiella tillväxt för att bilda nanotrådstrukturerade nätverk under sol-gelprocessen för NMF-tillverkning.

Forskarna visade hur de experimentella resultaten varierade jonernas form (gel till pulver) och färg (svart till brun), att starkt korrelera med de utsåtningseffekter som dikteras av Hofmeister-serien (en klassificering av joner efter deras förmåga att salta ut eller salta in proteiner). De använde time-lapse TEM-avbildning för att ytterligare avslöja tillväxtläget för NP:er och ligamentstorleksvariationen under nätverksutveckling och föreslog en möjlig mekanism under NMF-bildning via sol-gelprocessen. Följaktligen;

1. De ursprungliga NP:erna närmade sig varandra direkt om tillsats av salter på grund av elektrostatisk screening.
2. Liganderna avlägsnades sedan delvis från NP:erna av motsatt laddade katjoner
3. Följt av generering av NP:er för att bilda aggregat som drivs av den ökade ytanergin hos obegränsade NP:er
4. Aggregaten upprepade processen i axiella och radiella riktningar
5. För att aggregaten slutligen ska sedimentera genom gravitation-driven sedimentation för att bilda hydrogel i botten.

Möjligheten att systematiskt manipulera ligamentstorleken och motsvarande fysiska egenskaper hos NMA:er insågs inte tidigare. Som ett resultat, Du et al. studerade djupt geleringsprocessen för att låsa upp specifika joneffekter och manipulationsstrategier. För detta, de valde medvetet specifika salter (NH ₄ SCN, NH ₄ NEJ ₃ och KCl) som initiatorer.

De observerade en brun färg för den KCl-inducerade aerogelen, medan två andra aerogeler med mindre ligamentstorlekar verkade svarta på grund av stark ljusabsorption / spridning mellan nanosiserade domäner. Att ändra ligamentstorleken förändrade också deras densitet, specifik yta och porvolym. Forskarna visade förbättrade resultat för ligamentstorlek och ytterligare egenskaper genom att använda hybrid-salter i den experimentella installationen. Baserat på den föreslagna geleringsmekanismen, de utökade systemet till att även innehålla ädelmetaller och deras legeringar (Ag, Pd, och Pt).

Det nuvarande arbetet gav fastställda riktlinjer för att konstruera de fysiska parametrarna för NMA. Detta är ett viktigt resultat eftersom NMA:s fysiska och mekaniska egenskaper för närvarande fortfarande är en stor utmaning att förverkliga. Det enkla, syntetiskt tillvägagångssätt som introducerades i föreliggande arbete gav en mängd olika bimetalliska och trimetalliska geler med väldefinierade, avstämbar core-shell-arkitektur.

Eftersom metaller är anmärkningsvärt sega, forskarna framkallade en mörk-till-lysande övergång genom att manuellt omorganisera NMA från millimeter till mikrometer skala för att återfå en metallisk glans med nanostrukturerade "spegelytor". Du et al. svetsade ihop olika aerogeler för att bilda makroskopiska heterostrukturer och materialens extraordinära plasticitet gjorde att forskarna godtyckligt kunde forma och innesluta NMA i elastomerer för användning som flexibla ledare. Med hjälp av katalytisk syreutveckling behöll de de olika NMA som ett alternativ till de dyra platinabaserade ledarna.

Under elektrokatalys av alkoholoxidationsreaktioner, forskarna visade att Au-Pd och Au-Pd-Pt aerogeler presterade betydligt bättre jämfört med kommersiella Pd/C- eller Pt/C-katalysatorer. Resultaten visade också högre prestanda jämfört med tidigare rapporterade NMA som Pd-Cu, Pd-Ni och Au-Ag-Pd aerogeler. Dock, forskarna registrerade betydande strömförfall för Au-Pd och Au-Pd-Pt aerogeler under långsiktiga tester; en vanlig fråga för kommersiella katalysatorer. Den optimerade elektrokatalytiska potentialen gör att aerogeler kan fungera som anodiska katalysatorer i olika bränsleceller och förbättra elektrisk konduktivitet för att underlätta effektiv elektronöverföring under elektrokatalys.

På det här sättet, Du och medarbetare utvecklade en specifik jonstyrd geleringsstrategi för att snabbt tillverka och flexibelt manipulera NMA vid rumstemperatur från en nanopartikel (NP) lösning. Med hjälp av experimentella resultat och DFT-beräkningar föreslog de en övergripande mekanism för sol-gelprocessen. Det nuvarande arbetet ger ett nytt koncept och en enkel metod för att tillverka olika NMA. Arbetet kommer att bana väg framåt för materialforskare att designa on-target, mångsidiga NMF för en mängd olika applikationer som använder struktur-prestanda-relationer för att skapa önskvärda egenskaper på begäran.

© 2019 Science X Network