Le schiume di metalli nobili (NMF) sono una nuova classe di materiali funzionali che contengono sia metalli nobili che materiali porosi monolitici per impressionanti prospettive multiple nella scienza dei materiali e nei campi multidisciplinari. In un recente studio ora pubblicato su Progressi scientifici , Ran Du e un team di ricercatori interdisciplinari in Chimica Fisica, L'ingegneria dei materiali e la fisica hanno sviluppato NMF altamente sintonizzabili attivando effetti ionici specifici per produrre una varietà di aerogel singoli/legati. I nuovi materiali contenevano una composizione regolabile:con oro (Au), argento (Ag), palladio (Pd) e platino (Pt) e morfologie speciali.

Gli NMF hanno mostrato prestazioni superiori come dispositivi di autopropulsione programmabili, che gli scienziati hanno dimostrato utilizzando reazioni di ossidazione dell'alcol elettrocatalitico. Lo studio ha fornito un approccio concettualmente nuovo per progettare e manipolare gli NMF per fornire un quadro generale e comprendere i meccanismi di gelificazione. Il lavoro aprirà la strada alla progettazione di NMF mirati per studiare le relazioni tra le prestazioni strutturali per una varietà di applicazioni.

I materiali porosi funzionali sono un argomento interessante all'avanguardia della scienza dei materiali, combinando strutture porose e composizioni versatili per applicazioni multidisciplinari. Le schiume di metalli nobili (NMF) sono una stella nascente nella famiglia delle schiume e hanno ricevuto un'enorme attenzione durante il loro debutto. L'aggiunta di metalli nobili nelle reti di gel 3D ha potenziato gli NMF con una varietà di potenziali applicazioni, ma il loro sviluppo è ancora nelle prime fasi con strategie di fabbricazione limitate e proprietà strutturali meno conosciute che non possono essere ben manipolate.

Tipicamente, Gli NMF sono progettati utilizzando quattro classi di metodi, che include:

1. trattando
2. Template
3. Liofilizzazione diretta, e
4. Il processo Sol-gel.

Di questi, il processo sol-gel ha sostanzialmente prodotto aree nanostrutturate e ad alta superficie per NMF in condizioni blande per diventare una strategia sintetica popolare. Tuttavia, il processo sol-gel è in una fase infantile con numerosi misteri che circondano il processo; limitando la sua esplorazione per comprendere i meccanismi di gelificazione per la manipolazione su richiesta.

Nel presente lavoro, Du et al. ha presentato un metodo per la fabbricazione rapida e la manipolazione flessibile degli NMF attivando e progettando effetti ionici specifici. Per questo, hanno studiato sperimentalmente in profondità i processi di gelificazione insieme a calcoli DFT complementari per delineare il processo di reazione complessivo. Du et al. realizzate composizioni versatili con più leghe, dimensioni dei legamenti, superfici specifiche e distribuzione degli elementi spaziali durante la sintesi dei materiali. Il metodo e l'enorme libreria di ioni sviluppati nel lavoro offriranno opportunità senza precedenti per manipolare NMF ed estendersi a diversi sistemi di soluzioni colloidali, come dimostrato con l'ossidazione elettrocatalitica dell'alcol e una reazione chimica da scuro a brillante.

Du et al. prima ha aggiunto la soluzione di nanoparticelle d'oro (NP) con sali specifici e l'ha messa a terra da 4 a 12 ore per ottenere l'idrogel, quindi liofilizzare ulteriormente per ottenere l'aerogel corrispondente. Gli NMF hanno indicato una robusta capacità di gelificazione ed hanno completamente eliminato la necessità di costosi processi di concentrazione. L'approccio utilizzato dagli scienziati ha consentito in modo esclusivo la rapida gelificazione dei precursori metallici a basse concentrazioni ea temperatura ambiente.

Per spiegare il fenomeno non convenzionale, hanno proposto un modello di assemblaggio guidato dalla gravità in cui gli aggregati iniziati dal sale sono cresciuti gradualmente e si sono stabilizzati a causa della gravità per concentrarsi ed evolversi in un idrogel sul fondo. Gli scienziati hanno supportato questo modello utilizzando spettri di assorbimento UV-VIS per visualizzare l'intero processo di gelificazione. Poiché gli idrogel possono autoripararsi, i materiali hanno mostrato proprietà autorigeneranti promettenti in ambienti diversi senza input di energia esterna.

Du et al. condotto studi di caratterizzazione time-lapse per testare la formazione estremamente veloce di aggregati con microstrutture multiscala. Inoltre, hanno gareggiato con la microscopia elettronica a trasmissione time-lapse (TEM) e i test ottici in situ per rivelare le impronte evolutive delle reti 3D su scale diverse. Utilizzando le tecniche analitiche, gli scienziati hanno osservato la formazione di dimeri di nanoparticelle d'oro (NP), seguita dalla loro crescita assiale graduale per formare reti strutturate a nanofili durante il processo sol-gel di fabbricazione di NMF.

Gli scienziati hanno mostrato come i risultati sperimentali abbiano variato la forma (dal gel alla polvere) e il colore (dal nero al marrone) degli ioni, correlare fortemente agli effetti di salting out come dettato dalla serie di Hofmeister (classificazione degli ioni in base alla loro capacità di salt-out o salt-in delle proteine). Hanno utilizzato l'imaging TEM time-lapse per rivelare ulteriormente la modalità di crescita delle NP e la variazione delle dimensioni dei legamenti durante lo sviluppo della rete e hanno proposto un possibile meccanismo durante la formazione di NMF tramite il processo sol-gel. Di conseguenza;

1. Le NP originali si avvicinavano istantaneamente all'aggiunta di sali a causa dello screening elettrostatico.
2. I ligandi vengono quindi parzialmente rimossi dalle NP da cationi con carica opposta
3. Seguito dalla generazione di NP per formare aggregati guidati dall'energia superficiale sollevata di NP non coperti
4. Gli aggregati hanno ripetuto il processo in direzione assiale e radiale
5. Affinché gli aggregati si depositino infine per sedimentazione guidata dalla gravità per formare idrogel sul fondo.

La capacità di manipolare sistematicamente la dimensione del legamento e le corrispondenti proprietà fisiche delle NMA non era stata realizzata in precedenza. Di conseguenza, Du et al. ha studiato a fondo il processo di gelificazione per sbloccare effetti ionici specifici e strategie di manipolazione. Per questo, hanno deliberatamente selezionato sali specifici (NH ₄ SCN, NH ₄ NO ₃ e KCl) come iniziatori.

Hanno osservato un colore marrone per l'aerogel indotto da KCl, mentre altri due aerogel con dimensioni dei legamenti più piccole apparivano neri a causa del forte assorbimento/dispersione della luce tra domini di dimensioni nanometriche. La modifica delle dimensioni dei legamenti ha modificato anche la loro densità, superficie specifica e volume dei pori. Gli scienziati hanno mostrato risultati migliori per le dimensioni dei legamenti e proprietà aggiuntive utilizzando sali ibridi nella configurazione sperimentale. Sulla base del meccanismo di gelificazione proposto, hanno ampliato il sistema per includere i metalli nobili e le loro leghe (Ag, Pd, e Pt).

Il presente lavoro ha fornito linee guida stabilite per progettare i parametri fisici delle NMA. Questo è un risultato importante poiché le proprietà fisiche e meccaniche degli NMA rimangono attualmente una grande sfida da realizzare. Il diretto, approccio sintetico introdotto nel presente lavoro ha fornito una varietà di gel bimetallici e trimetallici con ben definiti, architettura core-shell sintonizzabile.

Poiché i metalli sono notevolmente duttili, gli scienziati hanno indotto una transizione da scuro a brillante riorganizzando manualmente gli NMA dalla scala millimetrica a quella micrometrica per riguadagnare una lucentezza metallica con "superfici a specchio" nanostrutturate. Du et al. hanno saldato insieme diversi aerogel per formare eterostrutture macroscopiche e la straordinaria plasticità dei materiali ha permesso agli scienziati di modellare e racchiudere arbitrariamente gli NMA all'interno di elastomeri da utilizzare come conduttori flessibili. Usando l'evoluzione catalitica dell'ossigeno, hanno mantenuto i diversi NMA come alternativa ai costosi conduttori a base di platino.

Durante l'elettrocatalisi delle reazioni di elettroossidazione dell'alcol, gli scienziati hanno dimostrato che gli aerogel Au-Pd e Au-Pd-Pt hanno prestazioni sostanzialmente migliori rispetto ai catalizzatori commerciali Pd/C o Pt/C. I risultati hanno anche mostrato prestazioni più elevate rispetto agli NMA precedentemente riportati come Pd-Cu, Aerogel Pd-Ni e Au-Ag-Pd. Però, gli scienziati hanno registrato un notevole decadimento della corrente per gli aerogel Au-Pd e Au-Pd-Pt durante i test a lungo termine; un problema comune per i catalizzatori commerciali. Il potenziale elettrocatalitico ottimizzato consentirà agli aerogel di funzionare come catalizzatori anodici in varie celle a combustibile e migliorerà la conduttività elettrica per facilitare un efficiente trasferimento di elettroni durante l'elettrocatalisi.

In questo modo, Du e i suoi collaboratori hanno sviluppato una strategia di gelificazione diretta agli ioni per produrre rapidamente e manipolare in modo flessibile NMA a temperatura ambiente da una soluzione di nanoparticelle (NP). Utilizzando i risultati sperimentali e i calcoli DFT, hanno proposto un meccanismo generale per il processo sol-gel. Il presente lavoro fornisce un nuovo concetto e un approccio diretto per fabbricare differenti NMA. Il lavoro aprirà la strada agli scienziati dei materiali per progettare sul bersaglio, NMF versatili per una varietà di applicazioni che utilizzano relazioni struttura-prestazioni per formare proprietà desiderabili su richiesta.

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