Les mousses de métaux nobles (NMF) sont une nouvelle classe de matériaux fonctionnels qui contiennent à la fois des métaux nobles et des matériaux poreux monolithiques pour des perspectives multiples impressionnantes dans la science des matériaux et les domaines multidisciplinaires. Dans une étude récente maintenant publiée sur Avancées scientifiques , Ran Du et une équipe de chercheurs interdisciplinaires en chimie physique, L'ingénierie et la physique des matériaux ont développé des NMF hautement ajustables en activant des effets ioniques spécifiques pour produire une variété d'aérogels simples/alliés. Les nouveaux matériaux contenaient une composition ajustable - avec de l'or (Au), argent (Ag), palladium (Pd) et platine (Pt)—et des morphologies particulières.

Les NMF ont présenté des performances supérieures en tant que dispositifs d'autopropulsion programmables, ce que les scientifiques ont prouvé en utilisant des réactions d'oxydation électrocatalytique de l'alcool. L'étude a fourni une nouvelle approche conceptuelle pour concevoir et manipuler les NMF afin de fournir un cadre global et de comprendre les mécanismes de gélification. Le travail ouvrira la voie à la conception de NMF sur cible pour étudier les relations de performance structurelle pour une variété d'applications.

Les matériaux poreux fonctionnels sont un sujet intéressant à la pointe de la science des matériaux, combinant des structures poreuses et des compositions polyvalentes pour des applications multidisciplinaires. Les mousses de métaux nobles (NMF) sont une étoile montante dans la famille des mousses et ont suscité une attention considérable lors de leurs débuts. L'ajout de métaux nobles dans les réseaux de gel 3-D a amélioré les NMF avec une variété d'applications potentielles, mais leur développement en est encore à ses débuts avec des stratégies de fabrication limitées et des propriétés structurelles moins comprises qui ne peuvent pas être bien manipulées.

Typiquement, Les NMF sont conçues à l'aide de quatre classes de méthodes, qui inclut:

1. Dealloying
2. Modélisation
3. Lyophilisation directe, et
4. Le procédé Sol-gel.

Parmi ceux-ci, le procédé sol-gel a produit de manière substantielle des surfaces nanostructurées et élevées pour les NMF dans des conditions douces pour devenir une stratégie de synthèse populaire. Néanmoins, le processus sol-gel est à un stade infantile avec de nombreux mystères entourant le processus; contraignant son exploration à comprendre les mécanismes de gélification pour la manipulation à la demande.

Dans le travail present, Du et al. a présenté une méthode de fabrication rapide et de manipulation flexible des NMF en activant et en concevant des effets ioniques spécifiques. Pour ça, ils ont étudié expérimentalement les processus de gélification en profondeur ainsi que des calculs DFT complémentaires pour décrire le processus de réaction global. Du et al. réalisé des compositions polyvalentes avec de multiples alliages, tailles des ligaments, les surfaces spécifiques et la distribution spatiale des éléments lors de la synthèse des matériaux. La méthode et l'énorme bibliothèque d'ions développée dans le travail offriront des opportunités sans précédent pour manipuler les NMF et s'étendre à divers systèmes de solutions colloïdales, comme démontré avec l'oxydation électrocatalytique de l'alcool et une réaction chimique sombre à brillante.

Du et al. a d'abord ajouté la solution de nanoparticules d'or (NP) avec des sels spécifiques et l'a mise à la terre de 4 à 12 heures pour donner l'hydrogel, puis lyophilisé davantage pour obtenir l'aérogel correspondant. Les NMF ont indiqué une capacité de gélification robuste et ont complètement éliminé le besoin de processus de concentration coûteux. L'approche utilisée par les scientifiques a permis uniquement une gélification rapide des précurseurs métalliques à de faibles concentrations et à température ambiante.

Pour expliquer le phénomène non conventionnel, ils ont proposé un modèle d'assemblage gravitaire dans lequel les agrégats initiés par le sel se sont développés progressivement et se sont installés en raison de la gravité pour se concentrer et évoluer en un hydrogel au fond. Les scientifiques ont soutenu ce modèle en utilisant des spectres d'absorption UV-VIS pour visualiser l'ensemble du processus de gélification. Puisque les hydrogels peuvent s'auto-réparer, les matériaux ont montré des propriétés d'auto-guérison prometteuses dans divers environnements sans apport d'énergie externe.

Du et al. ont mené des études de caractérisation en accéléré pour tester la formation extrêmement rapide d'agrégats à microstructures multi-échelles. En outre, ils ont participé à des tests de microscopie électronique à transmission (MET) et d'optique in situ pour révéler les empreintes évolutives des réseaux 3D à différentes échelles. En utilisant les techniques analytiques, les scientifiques ont observé la formation de dimères de nanoparticules d'or (NP), suivi de leur croissance axiale progressive pour former des réseaux structurés en nanofils au cours du processus sol-gel de fabrication NMF.

Les scientifiques ont montré comment les résultats expérimentaux variaient la forme (gel à poudre) et la couleur (noir à brun) des ions, fortement corrélée aux effets de relargage comme dicté par la série Hofmeister (une classification des ions selon leur capacité à relarguer ou à relarguer les protéines). Ils ont utilisé l'imagerie TEM en accéléré pour révéler davantage le mode de croissance des NP et la variation de la taille des ligaments au cours du développement du réseau et ont proposé un mécanisme possible lors de la formation de NMF via le processus sol-gel. Par conséquent;

1. Les NP d'origine se sont approchées instantanément sur l'ajout de sels en raison du criblage électrostatique.
2. Les ligands ont ensuite été partiellement séparés des NP par des cations de charges opposées
3. Suivi par la génération de NP pour former des agrégats entraînés par l'énergie de surface élevée des NP non coiffées
4. Les agrégats ont répété le processus dans les directions axiale et radiale
5. Pour que les agrégats se déposent enfin par sédimentation gravitaire pour former un hydrogel au fond.

La capacité de manipuler systématiquement la taille du ligament et les propriétés physiques correspondantes des NMA n'avait pas été réalisée auparavant. Par conséquent, Du et al. a étudié en profondeur le processus de gélification pour débloquer des effets ioniques spécifiques et des stratégies de manipulation. Pour ça, ils ont délibérément sélectionné des sels spécifiques (NH 4 SCN, NH 4 NON 3 et KCl) comme initiateurs.

Ils ont observé une couleur brune pour l'aérogel induit par le KCl, tandis que deux autres aérogels avec des tailles de ligament plus petites semblaient noirs en raison d'une forte absorption/diffusion de la lumière entre des domaines nanométriques. Changer la taille des ligaments a également changé leur densité, surface spécifique et volume des pores. Les scientifiques ont montré de meilleurs résultats pour la taille des ligaments et des propriétés supplémentaires en utilisant des sels hybrides dans la configuration expérimentale. Sur la base du mécanisme de gélification proposé, ils ont élargi le système pour inclure les métaux nobles et leurs alliages (Ag, Pd, et Pt).

Le présent travail a fourni des lignes directrices pour l'ingénierie des paramètres physiques des NMA. Il s'agit d'un résultat important car les propriétés physiques et mécaniques des NMA restent actuellement un grand défi à relever. Le simple, approche synthétique introduite dans le présent travail a fourni une variété de gels bimétalliques et trimétalliques avec des propriétés bien définies, architecture core-shell accordable.

Puisque les métaux sont remarquablement ductiles, les scientifiques ont induit une transition du noir au brillant en réarrangeant manuellement les NMA de l'échelle millimétrique à l'échelle micrométrique pour retrouver un brillant métallique avec des "surfaces miroir" nanostructurées. Du et al. ont soudé ensemble différents aérogels pour former des hétérostructures macroscopiques et l'extraordinaire plasticité des matériaux a permis aux scientifiques de façonner et d'envelopper arbitrairement les NMA dans des élastomères pour les utiliser comme conducteurs flexibles. En utilisant l'évolution catalytique de l'oxygène, ils ont maintenu les différents NMA comme alternative aux coûteux conducteurs à base de platine.

Au cours de l'électrocatalyse des réactions d'électro-oxydation de l'alcool, les scientifiques ont montré que les aérogels Au-Pd et Au-Pd-Pt fonctionnaient nettement mieux que les catalyseurs commerciaux Pd/C ou Pt/C. Les résultats ont également montré des performances supérieures par rapport aux NMA précédemment rapportés tels que Pd-Cu, Aérogels Pd-Ni et Au-Ag-Pd. Cependant, les scientifiques ont enregistré une décroissance de courant considérable pour les aérogels Au-Pd et Au-Pd-Pt lors d'essais à long terme; un problème courant pour les catalyseurs commerciaux. Le potentiel électrocatalytique optimisé permettra aux aérogels de fonctionner comme des catalyseurs anodiques dans diverses piles à combustible et d'améliorer la conductivité électrique pour faciliter un transfert d'électrons efficace pendant l'électrocatalyse.

De cette façon, Du et ses collègues ont développé une stratégie spécifique de gélification dirigée par des ions pour fabriquer rapidement et manipuler de manière flexible des NMA à température ambiante à partir d'une solution de nanoparticules (NP). À l'aide des résultats expérimentaux et des calculs DFT, ils ont proposé un mécanisme global pour le processus sol-gel. Le présent travail propose un nouveau concept et une approche simple pour fabriquer différentes NMA. Le travail ouvrira la voie aux scientifiques des matériaux pour concevoir sur cible, NMF polyvalents pour une variété d'applications utilisant des relations structure-performance pour former des propriétés souhaitables à la demande.

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