Las espumas de metales nobles (NMF) son una nueva clase de materiales funcionales que contienen tanto metales nobles como materiales porosos monolíticos para impresionantes perspectivas múltiples en la ciencia de los materiales y campos multidisciplinarios. En un estudio reciente ahora publicado en Avances de la ciencia , Ran Du y un equipo de investigadores interdisciplinarios en Química Física, La Ingeniería de Materiales y la Física desarrollaron NMF altamente ajustables activando efectos de iones específicos para producir una variedad de aerogeles simples / aleados. Los nuevos materiales contenían composición ajustable, con oro (Au), plata (Ag), paladio (Pd) y platino (Pt), y morfologías especiales.

Los NMF exhibieron un rendimiento superior como dispositivos de autopropulsión programables, que los científicos demostraron usando reacciones de oxidación de alcohol electrocatalítico. El estudio proporcionó un enfoque conceptualmente nuevo para diseñar y manipular NMF para proporcionar un marco general y comprender los mecanismos de gelificación. El trabajo allanará el camino a seguir para diseñar NMF en el objetivo para investigar las relaciones de rendimiento estructural para una variedad de aplicaciones.

Los materiales porosos funcionales son un tema interesante en la vanguardia de la ciencia de los materiales, combinando estructuras porosas y composiciones versátiles para aplicaciones multidisciplinares. Las espumas de metales nobles (NMF) son una estrella en ascenso en la familia de las espumas y han ganado una gran atención durante su debut. La adición de metales nobles en redes de gel 3-D ha mejorado los NMF con una variedad de aplicaciones potenciales, pero su desarrollo aún se encuentra en las primeras etapas con estrategias de fabricación limitadas y propiedades estructurales menos conocidas que no pueden manipularse bien.

Típicamente, Los NMF se diseñan utilizando cuatro clases de métodos, que incluye:

1. Distribuir
2. Plantillas
3. Liofilización directa, y
4. El proceso Sol-gel.

De estos, el proceso sol-gel ha producido sustancialmente áreas nanoestructuradas y de gran superficie para los NMF en condiciones suaves para convertirse en una estrategia sintética popular. Sin embargo, el proceso sol-gel se encuentra en una etapa infantil con numerosos misterios que rodean el proceso; restringiendo su exploración para comprender los mecanismos de gelificación para la manipulación bajo demanda.

En el presente trabajo, Du y col. presentó un método para la fabricación rápida y manipulación flexible de NMF mediante la activación y el diseño de efectos iónicos específicos. Para esto, estudiaron experimentalmente en profundidad los procesos de gelificación junto con cálculos complementarios de DFT para delinear el proceso de reacción general. Du y col. realizado composiciones versátiles con múltiples aleaciones, tamaños de ligamentos, áreas de superficie específicas y distribución de elementos espaciales durante la síntesis de materiales. El método y la enorme biblioteca de iones desarrollados en el trabajo ofrecerán oportunidades sin precedentes para manipular los NMF y extenderse a diversos sistemas de soluciones coloidales. como se demostró con la oxidación del alcohol electrocatalítico y una reacción química de oscuro a brillante.

Du y col. Primero agregó la solución de nanopartículas de oro (NP) con sales específicas y la conectó a tierra de 4 a 12 horas para producir el hidrogel, a continuación, se liofilizó para obtener el aerogel correspondiente. Los NMF indicaron una sólida capacidad de gelificación y eliminaron por completo la necesidad de costosos procesos de concentración. El enfoque utilizado por los científicos permitió de manera única una rápida gelificación de los precursores de metales a bajas concentraciones y temperatura ambiente.

Para explicar el fenómeno no convencional, propusieron un modelo de ensamblaje impulsado por la gravedad en el que los agregados iniciados por la sal crecían gradualmente y se asentaban debido a la gravedad para concentrarse y evolucionar en un hidrogel en la parte inferior. Los científicos apoyaron este modelo utilizando espectros de absorción UV-VIS para visualizar todo el proceso de gelificación. Dado que los hidrogeles pueden autorepararse, los materiales mostraron propiedades de autocuración prometedoras en diversos entornos sin entrada de energía externa.

Du y col. llevó a cabo estudios de caracterización por lapso de tiempo para probar la formación extremadamente rápida de agregados con microestructuras multiescala. Adicionalmente, compitieron con microscopía electrónica de transmisión de lapso de tiempo (TEM) y pruebas ópticas in situ para revelar las huellas evolutivas de las redes 3-D a diferentes escalas. Usando las técnicas analíticas, los científicos observaron la formación de dímeros de nanopartículas de oro (NP), seguido de su crecimiento axial gradual para formar redes con estructura de nanocables durante el proceso sol-gel de fabricación de NMF.

Los científicos mostraron cómo los resultados experimentales variaban la forma (gel a polvo) y el color (negro a marrón) de los iones. para correlacionar fuertemente con los efectos de la sal como dicta la serie de Hofmeister (una clasificación de iones según su capacidad de sal o de sal en proteínas). Utilizaron imágenes TEM de lapso de tiempo para revelar aún más el modo de crecimiento de las NP y la variación del tamaño del ligamento durante el desarrollo de la red y propusieron un posible mecanismo durante la formación de NMF a través del proceso sol-gel. Respectivamente;

1. Los NP originales se acercaron instantáneamente al agregar sales debido al cribado electrostático.
2. Luego, los ligandos se separan parcialmente de las NP mediante cationes cargados de manera opuesta.
3. Seguido por la generación de NP para formar agregados impulsados ​​por la energía superficial elevada de NP sin tapar
4. Los agregados repitieron el proceso en direcciones axiales y radiales.
5. Para que los agregados finalmente sedimenten por sedimentación por gravedad para formar hidrogel en el fondo.

La capacidad de manipular sistemáticamente el tamaño del ligamento y las propiedades físicas correspondientes de las NMA no se conocía previamente. Como resultado, Du y col. estudió profundamente el proceso de gelificación para desbloquear efectos iónicos específicos y estrategias de manipulación. Para esto, seleccionaron deliberadamente sales específicas (NH ₄ SCN, NUEVA HAMPSHIRE ₄ NO ₃ y KCl) como iniciadores.

Observaron un color marrón para el aerogel inducido por KCl, mientras que otros dos aerogeles con tamaños de ligamentos más pequeños parecían negros debido a la fuerte absorción / dispersión de luz entre dominios nanométricos. Cambiar el tamaño de los ligamentos también cambió su densidad, área de superficie específica y volumen de poros. Los científicos mostraron mejores resultados para el tamaño del ligamento y propiedades adicionales mediante el uso de sales híbridas en la configuración experimental. Basado en el mecanismo de gelificación propuesto, expandieron el sistema para incluir metales nobles y sus aleaciones (Ag, Pd, y Pt).

El presente trabajo proporcionó pautas establecidas para diseñar los parámetros físicos de las NMA. Este es un resultado importante, ya que las propiedades físicas y mecánicas de las NMA siguen siendo actualmente un gran desafío por realizar. El sencillo El enfoque sintético introducido en el presente trabajo proporcionó una variedad de geles bimetálicos y trimetálicos con arquitectura core-shell sintonizable.

Dado que los metales son notablemente dúctiles, los científicos indujeron una transición de oscuro a brillante reorganizando manualmente las NMA de la escala milimétrica a micrométrica para recuperar un brillo metálico con "superficies de espejo" nanoestructuradas. Du y col. soldaron juntos diferentes aerogeles para formar heteroestructuras macroscópicas y la extraordinaria plasticidad de los materiales permitió a los científicos dar forma arbitraria y encapsular los NMA dentro de elastómeros para su uso como conductores flexibles. Utilizando la evolución catalítica de oxígeno, mantuvieron los diferentes NMA como una alternativa a los costosos conductores basados ​​en platino.

Durante la electrocatálisis de reacciones de electrooxidación de alcohol, los científicos demostraron que los aerogeles de Au-Pd y Au-Pd-Pt se comportaron sustancialmente mejor en comparación con los catalizadores comerciales de Pd / C o Pt / C. Los resultados también mostraron un mayor rendimiento en comparación con las NMA informadas anteriormente, como Pd-Cu, Aerogeles de Pd-Ni y Au-Ag-Pd. Sin embargo, los científicos registraron una considerable disminución de la corriente de los aerogeles Au-Pd y Au-Pd-Pt durante pruebas a largo plazo; un problema común para los catalizadores comerciales. El potencial electrocatalítico optimizado permitirá que los aerogeles funcionen como catalizadores anódicos en varias pilas de combustible y mejorará la conductividad eléctrica para facilitar la transferencia eficiente de electrones durante la electrocatálisis.

De este modo, Du y sus colaboradores desarrollaron una estrategia específica de gelificación dirigida por iones para fabricar rápidamente y manipular de manera flexible los NMA a temperatura ambiente a partir de una solución de nanopartículas (NP). Utilizando los resultados experimentales y los cálculos de DFT, propusieron un mecanismo general para el proceso sol-gel. El presente trabajo proporciona un nuevo concepto y un enfoque sencillo para fabricar diferentes NMA. El trabajo allanará el camino a seguir para que los científicos de materiales diseñen en el objetivo, NMF versátiles para una variedad de aplicaciones que utilizan relaciones estructura-rendimiento para formar propiedades deseables bajo demanda.

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