冻融制成的贵金属气凝胶：用于光电催化的清洁分级材料

在聚合物科学领域，冻融技术已用于通过重新组织聚合物链的排列来在浓缩溶液中产生物理交联，从而产生相应的水凝胶。该方法的一种变体（即冷冻浇铸）需要冻结碳和陶瓷的浓水溶液，这通过对原位产生的冰晶进行模板化来形成有序网络，从而在真空干燥后获得分层的结构化气凝胶。

但是，这两种情况的先决条件都是具有尽可能少的杂质的高浓度溶液。

德累斯顿工业大学的科学家利用在贵金属凝胶中观察到的非常规自我修复特性，通过从浓度低至0.5 mM的金属纳米颗粒稀水溶液开始，协调了冻融和冻铸过程。 ，比传统工艺低2〜3个数量级。

此外，该方法适合各种贵金属，并在10 -9至10 -5 m 范围内获得了多尺度结构，这归因于网络的固有堆叠和冰成形效应的协同作用，促进了高性能光电化学催化乙醇的电氧化（即直接乙醇燃料电池的阳极反应）。

该小组在Angewandte Chemie国际版中发表了他们的发现（“冷冻-融化法制备用于电催化和光电催化的清洁和分级结构的贵金属凝胶”）。

（a）贵金属气凝胶的制造过程照片和透射电子显微镜图像。（b）制作过程示意图。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

该论文的第一作者Ran Du向Nanowerk解释说，该团队在3个步骤的过程中无需添加任何引发剂即可获得干净且多尺度的贵金属气凝胶结构。

“首先，由于离子强度和纳米粒子浓度的急剧增加，在冷冻纳米粒子溶液时，形成了一系列小的单独的凝胶网络。同时，这些网络是通过生成的冰晶在微米级形成的。其次，在融化后，那些小凝胶在重力作用下沉淀下来，接触并融合在一起形成水凝胶。第三，水凝胶用水洗涤纯化，然后冷冻干燥转化为气凝胶。”

贵金属气凝胶由于其大的比表面积和贵金属（例如钯和铂）的高催化活性而被广泛研究用于电催化应用。

但是，制造方法的过程繁琐，准备时间长，不可避免的杂质以及不受控制的多尺度结构，这不利于其基础和面向应用的研究。

在当前的研究中，德累斯顿大学的作者观察到在LED照射下（光功率密度为133.6 mW cm-2）金钯（Au-Pd）气凝胶的催化电流密度提高了40.2％，为6.5是商用钯/碳（Pd / C）催化剂的两倍。

（a）通过在黑暗条件下使用市售Pd / C，市售Pt / C，Au-Pd气凝胶和Au-Pt气凝胶对乙醇进行电氧化。实线和虚线分别代表前向和后向扫描。（b）气凝胶催化剂的催化电流密度与光的功率密度的关系。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

如上所述，贵金属气凝胶领域中的各种合成挑战阻碍了对贵金属气凝胶的固有性质的评估以及对应用性能的优化。

在本报告中，作者克服了创建清洁且层次结构的贵金属气凝胶的挑战，并展示了这些材料令人印象深刻的光电催化性能。

Du得出结论，他们的策略可能会进一步制造广泛的清洁和多层结构的水凝胶，气凝胶和泡沫，以用于特定应用。