Espumas de metal nobre (NMFs) são uma nova classe de materiais funcionais que contêm metais nobres e materiais porosos monolíticos para perspectivas múltiplas impressionantes em ciência de materiais e campos multidisciplinares. Em um estudo recente agora publicado em Avanços da Ciência , Ran Du e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares em Físico-Química, A Engenharia de Materiais e a Física desenvolveram NMFs altamente sintonizáveis, ativando efeitos de íons específicos para produzir uma variedade de aerogéis de liga única. Os novos materiais continham composição ajustável - com ouro (Au), prata (Ag), paládio (Pd) e platina (Pt) - e morfologias especiais.

Os NMFs exibiram desempenho superior como dispositivos de autopropulsão programáveis, que os cientistas provaram usando reações de oxidação do álcool eletrocatalítico. O estudo forneceu uma abordagem conceitualmente nova para projetar e manipular NMFs para fornecer uma estrutura geral e compreender os mecanismos de gelificação. O trabalho abrirá caminho para projetar NMFs direcionados para investigar as relações de desempenho estrutural para uma variedade de aplicações.

Materiais porosos funcionais são um tópico interessante na vanguarda da ciência dos materiais, combinando estruturas porosas e composições versáteis para aplicações multidisciplinares. As espumas de metal nobre (NMFs) são uma estrela em ascensão na família das espumas e ganharam muita atenção durante sua estreia. A adição de metais nobres em redes de gel 3-D melhorou NMFs com uma variedade de aplicações potenciais, mas seu desenvolvimento ainda está nos estágios iniciais, com estratégias de fabricação limitadas e propriedades estruturais menos conhecidas que não podem ser bem manipuladas.

Tipicamente, NMFs são projetados usando quatro classes de métodos, que incluem:

1. Dealloying
2. Templating
3. Secagem por congelamento direto, e
4. O processo Sol-gel.

Destes, o processo sol-gel produziu substancialmente áreas de superfície nanoestruturadas e altas para NMFs sob condições suaves para se tornar uma estratégia sintética popular. No entanto, o processo sol-gel está em um estágio infantil, com vários mistérios envolvendo o processo; restringindo sua exploração para entender os mecanismos de gelificação para manipulação sob demanda.

No presente trabalho, Du et al. apresentou um método para fabricação rápida e manipulação flexível de NMFs, ativando e projetando efeitos de íons específicos. Por esta, eles estudaram experimentalmente os processos de gelificação em profundidade juntamente com cálculos DFT complementares para delinear o processo geral de reação. Du et al. percebeu composições versáteis com ligas múltiplas, tamanhos de ligamento, áreas de superfície específicas e distribuição espacial de elementos durante a síntese de materiais. O método e a enorme biblioteca de íons desenvolvidos no trabalho oferecerão oportunidades sem precedentes para manipular NMFs e se estender a diversos sistemas de solução coloidal, como demonstrado com a oxidação eletrocatalítica do álcool e uma reação química escura a brilhante.

Du et al. primeiro adicionado a solução de nanopartículas de ouro (NP) com sais específicos e aterrado por 4 a 12 horas para produzir o hidrogel, em seguida, liofilize-o ainda mais para obter o aerogel correspondente. Os NMFs indicaram uma capacidade de gelificação robusta e eliminaram completamente a necessidade de processos de concentração caros. A abordagem usada pelos cientistas permitiu a gelificação rápida dos precursores de metal em baixas concentrações e temperatura ambiente.

Para explicar o fenômeno não convencional, eles propuseram um modelo de montagem acionado pela gravidade em que os agregados iniciados pelo sal cresceram gradualmente e se acomodaram devido à gravidade para se concentrarem e evoluírem para um hidrogel na parte inferior. Os cientistas apoiaram este modelo usando espectros de absorção UV-VIS para visualizar todo o processo de gelificação. Uma vez que os hidrogéis podem se auto-reparar, os materiais exibiram propriedades promissoras de autocura em diversos ambientes sem entrada de energia externa.

Du et al. conduziram estudos de caracterização de lapso de tempo para testar a formação extremamente rápida de agregados com microestruturas multiescala. Adicionalmente, eles competiram com microscopia eletrônica de transmissão de lapso de tempo (TEM) e testes ópticos in situ para revelar as pegadas evolutivas de redes 3-D em diferentes escalas. Usando as técnicas analíticas, os cientistas observaram a formação de dímeros de nanopartículas de ouro (NP), seguido por seu crescimento axial gradual para formar redes estruturadas de nanofios durante o processo sol-gel de fabricação NMF.

Os cientistas mostraram como os resultados experimentais variaram a forma (gel a pó) e a cor (preto a marrom) dos íons, para correlacionar fortemente com os efeitos de salting-out ditados pela série Hofmeister (uma classificação de íons de acordo com sua capacidade de salgar ou salinizar proteínas). Eles usaram imagem TEM de lapso de tempo para revelar ainda mais o modo de crescimento de NPs e a variação do tamanho do ligamento durante o desenvolvimento da rede e propuseram um possível mecanismo durante a formação de NMF por meio do processo sol-gel. De acordo;

1. Os NPs originais aproximaram-se uns dos outros instantaneamente na adição de sais devido à triagem eletrostática.
2. Os ligantes então parcialmente removidos dos NPs por cátions de carga oposta
3. Seguido pela geração de NPs para formar agregados impulsionados pela energia de superfície elevada de NPs não tampados
4. Os agregados repetiram o processo nas direções axial e radial
5. Para que os agregados finalmente se assentem por sedimentação impulsionada pela gravidade para formar hidrogel no fundo.

A capacidade de manipular sistematicamente o tamanho do ligamento e as propriedades físicas correspondentes dos NMAs não foi percebida anteriormente. Como resultado, Du et al. estudou profundamente o processo de gelificação para desbloquear efeitos de íons específicos e estratégias de manipulação. Por esta, eles selecionaram deliberadamente sais específicos (NH ₄ SCN, NH ₄ NÃO ₃ e KCl) como iniciadores.

Eles observaram uma cor marrom para o aerogel induzido por KCl, enquanto dois outros aerogéis com tamanhos de ligamento menores pareciam pretos devido à forte absorção / dispersão de luz entre os domínios nanométricos. Mudar o tamanho do ligamento também mudou sua densidade, área de superfície específica e volume de poro. Os cientistas mostraram resultados melhorados para o tamanho do ligamento e propriedades adicionais usando sais híbridos na configuração experimental. Com base no mecanismo de gelificação proposto, eles expandiram o sistema para incluir metais nobres e suas ligas (Ag, Pd, e Pt).

O presente trabalho forneceu diretrizes definidas para projetar os parâmetros físicos de NMAs. Este é um resultado importante, uma vez que as propriedades físicas e mecânicas dos NMAs atualmente permanecem um grande desafio a ser realizado. O simples, abordagem sintética introduzida no presente trabalho forneceu uma variedade de géis bimetálicos e trimetálicos com, arquitetura ajustável de núcleo-shell.

Uma vez que os metais são notavelmente dúcteis, os cientistas induziram uma transição de escuro para brilhante reorganizando manualmente os NMAs da escala milimétrica para micrométrica para recuperar um brilho metálico com "superfícies de espelho" nanoestruturadas. Du et al. soldados diferentes aerogéis para formar heteroestruturas macroscópicas e a extraordinária plasticidade dos materiais permitiu aos cientistas moldar e encerrar arbitrariamente os NMAs dentro de elastômeros para uso como condutores flexíveis. Usando a evolução de oxigênio catalítico, eles mantiveram os diferentes NMAs como uma alternativa aos caros condutores à base de platina.

Durante a eletrocatálise das reações de eletro-oxidação do álcool, os cientistas mostraram que os aerogéis Au-Pd e Au-Pd-Pt tiveram um desempenho substancialmente melhor em comparação com os catalisadores comerciais Pd / C ou Pt / C. Os resultados também mostraram um desempenho superior em comparação com NMAs relatados anteriormente, como Pd-Cu, Aerogéis Pd-Ni e Au-Ag-Pd. Contudo, os cientistas registraram uma queda considerável da corrente para os aerogéis Au-Pd e Au-Pd-Pt durante testes de longo prazo; um problema comum para catalisadores comerciais. O potencial eletrocatalítico otimizado permitirá que os aerogéis funcionem como catalisadores anódicos em várias células de combustível e aumentará a condutividade elétrica para facilitar a transferência de elétrons eficiente durante a eletrocatálise.

Desta maneira, Du e colegas de trabalho desenvolveram uma estratégia específica de gelificação dirigida por íons para fabricar rapidamente e manipular NMAs de forma flexível à temperatura ambiente a partir de uma solução de nanopartículas (NP). Usando os resultados experimentais e cálculos DFT, eles propuseram um mecanismo geral para o processo sol-gel. O presente trabalho fornece um novo conceito e uma abordagem direta para fabricar diferentes NMAs. O trabalho abrirá o caminho para os cientistas de materiais projetarem no alvo, NMFs versáteis para uma variedade de aplicações usando relações estrutura-desempenho para formar propriedades desejáveis ​​sob demanda.

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