Edelmetaalschuimen (NMF's) zijn een nieuwe klasse functionele materialen die zowel edele metalen als monolithische poreuze materialen bevatten voor indrukwekkende multi-perspectieven in materiaalwetenschap en multidisciplinaire gebieden. In een recente studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Ran Du en een team van interdisciplinaire onderzoekers in de fysische chemie, Materials Engineering and Physics hebben zeer afstembare NMF's ontwikkeld door specifieke ioneneffecten te activeren om een ​​verscheidenheid aan enkelvoudige/gelegeerde aerogels te produceren. De nieuwe materialen bevatten een instelbare samenstelling - met goud (Au), zilver (Ag), palladium (Pd) en platina (Pt) - en speciale morfologieën.

De NMF's vertoonden superieure prestaties als programmeerbare zelfvoortstuwingsapparaten, die de wetenschappers bewezen met behulp van elektrokatalytische alcoholoxidatiereacties. De studie bood een conceptueel nieuwe benadering voor het engineeren en manipuleren van NMF's om een ​​algemeen raamwerk te bieden en de mechanismen van gelering te begrijpen. Het werk zal de weg vrijmaken voor het ontwerpen van on-target NMF's om structurele prestatierelaties voor een verscheidenheid aan toepassingen te onderzoeken.

Functionele poreuze materialen zijn een interessant onderwerp op het snijvlak van materiaalwetenschap, het combineren van poreuze structuren en veelzijdige composities voor multidisciplinaire toepassingen. Noble metal foams (NMF's) zijn een rijzende ster in de schuimfamilie en hebben enorm veel aandacht gekregen tijdens hun debuut. De toevoeging van edele metalen aan 3D-gelnetwerken heeft NMF's verbeterd met een verscheidenheid aan potentiële toepassingen, maar hun ontwikkeling bevindt zich nog in een vroeg stadium met beperkte fabricagestrategieën en minder begrepen structurele eigenschappen die niet goed kunnen worden gemanipuleerd.

Typisch, NMF's zijn ontwikkeld met behulp van vier klassen van methoden, waaronder:

1. delegeren
2. Sjablonen
3. Direct vriesdrogen, en
4. Het Sol-gel-proces.

Van deze, het sol-gelproces heeft substantieel nanogestructureerde en grote oppervlakten voor NMF's geproduceerd onder milde omstandigheden om een ​​populaire synthetische strategie te worden. Hoe dan ook, het sol-gel-proces bevindt zich in een kinderfase met talloze mysteries rond het proces; het beperken van zijn verkenning om geleringsmechanismen voor on-demand manipulatie te begrijpen.

In het huidige werk, Du et al. presenteerde een methode voor snelle fabricage en flexibele manipulatie van NMF's door specifieke ioneneffecten te activeren en te ontwerpen. Voor deze, ze hebben experimenteel diepgaande geleringsprocessen bestudeerd naast complementaire DFT-berekeningen om het algehele reactieproces te schetsen. Du et al. realiseerde veelzijdige composities met meerdere legeringen, ligament maten, specifieke oppervlakten en ruimtelijke elementverdeling tijdens materiaalsynthese. De methode en de enorme ionenbibliotheek die in het werk zijn ontwikkeld, zullen ongekende mogelijkheden bieden om NMF's te manipuleren en zich uit te breiden tot diverse colloïdale oplossingssystemen, zoals aangetoond met elektrokatalytische alcoholoxidatie en een donker-naar-glanzende chemische reactie.

Du et al. eerst de gouden nanodeeltjes (NP) -oplossing met specifieke zouten toegevoegd en deze 4 tot 12 uur geaard om de hydrogel op te leveren, vervolgens gevriesdroogd verder om de overeenkomstige aerogel te verkrijgen. De NMF's gaven een robuuste geleringscapaciteit aan en elimineerden de noodzaak van dure concentratieprocessen volledig. De aanpak die door de wetenschappers werd gebruikt, zorgde op unieke wijze voor een snelle gelering van de metaalprecursoren bij lage concentraties en omgevingstemperatuur.

Om het onconventionele fenomeen te verklaren, ze stelden een door zwaartekracht aangedreven assemblagemodel voor waarbij de door zout geïnitieerde aggregaten geleidelijk groeiden en neerzakten als gevolg van de zwaartekracht om zich te concentreren en te evolueren naar een hydrogel aan de onderkant. De wetenschappers ondersteunden dit model met behulp van UV-VIS-absorptiespectra om het hele geleringsproces te visualiseren. Omdat hydrogels zichzelf kunnen repareren, de materialen vertoonden veelbelovende zelfherstellende eigenschappen in diverse omgevingen zonder externe energietoevoer.

Du et al. voerde time-lapse karakteriseringsstudies uit om de extreem snelle vorming van aggregaten met multischaal microstructuren te testen. Aanvullend, ze deden mee aan time-lapse transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en in situ optische tests om de evolutionaire voetafdrukken van 3D-netwerken op verschillende schalen te onthullen. Met behulp van de analytische technieken, de wetenschappers observeerden de vorming van gouden nanodeeltjes (NP) dimeren, gevolgd door hun geleidelijke axiale groei om nanodraad-gestructureerde netwerken te vormen tijdens het sol-gel-proces van NMF-fabricage.

De wetenschappers lieten zien hoe de experimentele resultaten de vorm (gel tot poeder) en kleur (zwart tot bruin) van de ionen varieerden, sterk correleren met de uitzoutingseffecten zoals voorgeschreven door de Hofmeister-reeks (een classificatie van ionen op basis van hun vermogen om eiwitten uit te zout of in te zout). Ze gebruikten time-lapse TEM-beeldvorming om de groeimodus van NP's en de variatie in ligamentgrootte tijdens netwerkontwikkeling verder te onthullen en stelden een mogelijk mechanisme voor tijdens NMF-vorming via het sol-gel-proces. Overeenkomstig;

1. De oorspronkelijke NP's benaderden elkaar direct bij de toevoeging van zouten vanwege elektrostatische screening.
2. De liganden werden vervolgens gedeeltelijk van de NP's gestript door tegengesteld geladen kationen
3. Gevolgd door het genereren van NP's om aggregaten te vormen die worden aangedreven door de verhoogde oppervlakte-energie van niet-afgetopte NP's
4. De aggregaten herhaalden het proces in axiale en radiale richtingen
5. Om de aggregaten uiteindelijk te laten bezinken door door zwaartekracht aangedreven sedimentatie om hydrogel op de bodem te vormen.

Het vermogen om de ligamentgrootte en de bijbehorende fysieke eigenschappen van NMA's systematisch te manipuleren, was niet eerder gerealiseerd. Als resultaat, Du et al. het geleringsproces grondig bestudeerd om specifieke ioneneffecten en manipulatiestrategieën te ontsluiten. Voor deze, ze kozen bewust voor specifieke zouten (NH ₄ SCN, NH ₄ NEE ₃ en KCl) als initiatiefnemers.

Ze zagen een bruine kleur voor de KCl-geïnduceerde aerogel, terwijl twee andere aerogels met kleinere ligamentafmetingen zwart leken vanwege sterke lichtabsorptie / verstrooiing tussen domeinen met nanogrootte. Het veranderen van de ligamentgrootte veranderde ook hun dichtheid, specifiek oppervlak en porievolume. De wetenschappers toonden verbeterde resultaten voor de grootte van de ligamenten en extra eigenschappen door hybride zouten in de experimentele opstelling te gebruiken. Op basis van het voorgestelde geleringsmechanisme, ze breidden het systeem uit met edele metalen en hun legeringen (Ag, pd, en Pt).

Het huidige werk leverde richtlijnen op om de fysieke parameters van NMA's te ontwikkelen. Dit is een belangrijke uitkomst aangezien de fysieke en mechanische eigenschappen van NMA's momenteel een grote uitdaging blijven om te realiseren. De rechttoe rechtaan, synthetische benadering die in het huidige werk werd geïntroduceerd, leverde een verscheidenheid aan bimetaal- en trimetaalgels op met goed gedefinieerde, afstembare core-shell-architectuur.

Omdat metalen opmerkelijk taai zijn, de wetenschappers veroorzaakten een overgang van donker naar glanzend door de NMA's handmatig te herschikken van millimeter tot micrometer om een ​​metaalachtige glans terug te krijgen met nanogestructureerde "spiegeloppervlakken". Du et al. verschillende aerogels aan elkaar gelast om macroscopische heterostructuren te vormen en de buitengewone plasticiteit van de materialen stelde de wetenschappers in staat om de NMA's willekeurig te vormen en in te sluiten in elastomeren voor gebruik als flexibele geleiders. Met behulp van katalytische zuurstofontwikkeling behielden ze de verschillende NMA's als alternatief voor de dure op platina gebaseerde geleiders.

Tijdens elektrokatalyse van alcohol-elektro-oxidatiereacties, de wetenschappers toonden aan dat Au-Pd- en Au-Pd-Pt-aerogels aanzienlijk beter presteerden in vergelijking met commerciële Pd/C- of Pt/C-katalysatoren. De resultaten toonden ook hogere prestaties in vergelijking met eerder gerapporteerde NMA's zoals Pd-Cu, Pd-Ni en Au-Ag-Pd aerogels. Echter, de wetenschappers registreerden een aanzienlijk stroomverval voor de Au-Pd- en Au-Pd-Pt-aerogels tijdens langdurige tests; een veelvoorkomend probleem voor commerciële katalysatoren. Het geoptimaliseerde elektrokatalytische potentieel zal aerogels in staat stellen te functioneren als anodische katalysatoren in verschillende brandstofcellen en de elektrische geleidbaarheid te verbeteren om efficiënte elektronenoverdracht tijdens elektrokatalyse te vergemakkelijken.

Op deze manier, Du en collega's ontwikkelden een specifieke ion-gerichte geleringsstrategie om snel NMA's bij kamertemperatuur te produceren en flexibel te manipuleren vanuit een nanodeeltjes (NP) -oplossing. Met behulp van de experimentele resultaten en DFT-berekeningen stelden ze een algemeen mechanisme voor het sol-gel-proces voor. Het huidige werk biedt een nieuw concept en een eenvoudige benadering om verschillende NMA's te fabriceren. Het werk zal de weg vrijmaken voor materiaalwetenschappers om on-target te ontwerpen, veelzijdige NMF's voor een verscheidenheid aan toepassingen met behulp van structuur-prestatierelaties om on-demand gewenste eigenschappen te vormen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk