Name: synthesis and functionalization of 3d nano-graphene materials: graphene aerogels and graphene macro assemblies
Uploaded: 2015-11-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 23 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies at JoVE.com

This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344. IM release LLNL-JRNL-667016.

1. Resorcina-formaldeide (RF) Derivato Grafene Aerogels <ol><li> Na 2 CO 3 catalizzata aerogel di carbonio (11% di solidi, CRF) <ol><li> In 40 ml fiala di scintillazione, aggiungere acqua deionizzata (7,1 ml) di resorcinolo (0,625 g, 5,68 mmoli) e miscelare su vortex per 1 min. Crush grandi pezzi -resorcinolo a polvere con un mortaio e pestello prima dell&#39;aggiunta dell&#39;acqua. Si noti che non possono sciogliere completamente fino alla fase successiva. </li><li> Aggiungere la soluzione di formaldeide al 37% (0,900 g, 11,4 mmoli) alla sospensione resorcinolo e vortex per 1 min. </li><li> Aggiungere carbonato di sodio (0,003 g, 0,028 mmoli) alla miscela di reazione e vortex per 1 min. </li><li> Trasferire la miscela di reazione a stampi di vetro che possono essere sigillati a tenuta d&#39;aria (ad esempio, flaconi o vetro diapositive che sono separate da una guarnizione in silicone) che definiscono la forma della parte solida risultante. </li><li> Posizionare gli stampi chiusi in un forno a 80 ° C e la cura per 72 ore. </li><li> Dopo la polimerizzazione, rimuovere il solmonoliti id dallo stampo di vetro e lavata con acqua per rimuovere residui di partenza non reagiti e materiali catalizzatore. In genere si eseguono 3 x 12 lavaggi hr con DI fresco H 2 O. Il materiale è ora pronto per l&#39;essiccazione. </li></ol></li><li> L&#39;acido acetico catalizzate aerogel di carbonio (AARF) 17 <ol><li> In 40 ml fiala di scintillazione, aggiungere acqua deionizzata (15 ml) al resorcinolo (12,3 g, 0,112 moli) e miscelare su vortex per 1 min. Crush grandi pezzi -resorcinolo a polvere con un mortaio e pestello prima dell&#39;aggiunta dell&#39;acqua. Si noti che non possono sciogliere completamente fino alla fase successiva. </li><li> Aggiungere la soluzione di formaldeide al 37% (17,9 g, 0,224 moli) alla sospensione resorcinolo e vortex per 1 min. </li><li> Aggiungere acido acetico glaciale (0,44 g, 0,007 moli) alla miscela di reazione e vortex per 1 min. </li><li> Trasferire la miscela di reazione a stampi di vetro che possono essere sigillati a tenuta d&#39;aria (ad esempio, fiale o vetrini separati da una guarnizione siliconica), che definiscono la forma della resulting parte solida. </li><li> Posizionare gli stampi chiusi in un forno a 80 ° C e la cura per 72 ore. </li><li> Dopo la polimerizzazione, rimuovere i monoliti solidi dallo stampo di vetro e lavare con acqua per rimuovere residui di partenza non reagiti e materiali catalizzatore. In genere si eseguono 3 x 12 lavaggi hr con DI fresco H 2 O. Il materiale è ora pronto per l&#39;essiccazione. </li></ol></li><li> Additivi carbonio alla soluzione precursore RF (CNT, GO) <ol><li> Nanotubi di carbonio / RF composito 11 <ol><li> Sospendere 1% in peso a parete singola nanotubi di carbonio in acqua deionizzata e completamente dispersi utilizzando un bagno ad ultrasuoni (sonica potenza 90 W, frequenza 40 kHz). </li><li> Aggiungere resorcinolo (1.235 g, 11,2 mmoli), formaldeide (1.791 g, 22,1 mmoli), e carbonato di sodio catalizzatore (5,95 mg, 0,056 mmol) di 1,5 g della dispersione CNT. </li><li> Trasferire la miscela di reazione a stampi vetro che possono essere sigillati a tenuta d&#39;aria (ad esempio, fiala o vetro diapositive che sono separati da una guarnizione in silicone), che definall&#39;e la forma della parte solida risultante. </li><li> Posizionare gli stampi chiusi in un forno a 80 ° C e la cura per 72 ore. </li><li> Dopo la polimerizzazione, rimuovere i monoliti solidi dallo stampo di vetro e lavare con acqua per rimuovere residui di partenza non reagiti e materiali catalizzatore. Tipicamente eseguire 3 x 12 lavaggi hr con DI fresco H 2 O. Il materiale è ora pronto per l&#39;essiccazione. </li></ol></li><li> Ossido di grafene / RF composito 12 <ol><li> Sospendere 1 peso di ossido di grafene% (GO, 300-800 nm di diametro) in acqua deionizzata e completamente dispersi utilizzando un bagno ad ultrasuoni (sonica potenza 90 W, frequenza 40 kHz). </li><li> Aggiungere resorcinolo (1.235 g, 11,2 mmoli), formaldeide (1.791 g, 22.1 mmol, 37% soluzione) e carbonato di sodio catalizzatore (5,95 mg, 0,056 mmol) di 1,5 g della dispersione GO. </li><li> Trasferire la miscela di reazione a stampi di vetro che possono essere sigillati a tenuta d&#39;aria (ad esempio, fiale o vetrini che sono separate da una guarnizione in silicone) che definiscono la forma dellarisultante parte solida. </li><li> Posizionare gli stampi chiusi in un forno a 80 ° C e la cura per 72 ore. </li><li> Dopo la polimerizzazione, rimuovere i monoliti solidi dallo stampo di vetro e lavare con acqua per rimuovere residui di partenza non reagiti e materiali catalizzatore. Tipicamente eseguire 3 x 12 lavaggi hr con DI fresco H 2 O. Il materiale è ora pronto per l&#39;essiccazione. </li></ol></li></ol></li><li> Essiccazione <ol><li> CO 2 supercritica <ol><li> Preparare campioni lavati per asciugare con CO 2 supercritica scambiando l&#39;H 2 O solvente con acetone. Rimuovere campione dal bagnomaria e posto in bagno contenente acetone pulito. Sostituire con acetone fresco altre due volte a intervalli di 12 ore. </li><li> Campioni Load acetone-scambiato in un apparecchio di essiccamento supercritico, riempito con acetone e con circolazione del liquido refrigerante a 12-15 ° C. </li><li> Sigillare asciugatrice supercritico e scambio con CO 2 liquida fino a quando non rimane acetone (4-24 ore a seconda onumerosità n del campione, la densità, la morfologia dei pori, etc.). </li><li> Spegnere CO 2 fornitura e aumentare la temperatura del liquido di raffreddamento a 55 ° C circolante, mantenendo la pressione nel dryer supercritico tra 1200-1600 psi (80-110 bar). Tenere a 55 ° C per 1 ora. </li><li> Lentamente sfiato CO 2 (2-12 ore) mantenendo la temperatura del refrigerante circolante a 55 ° C. Rimuovere i campioni. </li></ol></li><li> Ambient essiccazione (xerogel) <ol><li> Preparare campioni lavati per essiccazione in condizioni ambientali scambiando l&#39;H 2 O solvente con acetone. Rimuovere campione dal bagnomaria e posto in bagno contenente acetone pulito. Sostituire con acetone fresco altre due volte a intervalli di 12 ore. </li><li> Posizionare campioni acetone scambiati su una superficie pulita (ad esempio, blocco Teflon). Per rallentare la velocità di evaporazione del solvente per evitare fessurazioni e restringimento irregolare, coprire il campione con un bicchiere rovesciato di volume sufficiente per fornire un sacco di heaDSpace. </li><li> Lasciare evaporare il solvente per (24-72 ore). </li></ol></li></ol></li><li> Carbonizzazione <ol><li> Eseguire carbonizzazione schiume secche a 1050 ° C sotto atmosfera di N 2. Rampa da RT ad una velocità di 5 ° C / min, e tenere a 1.050 ° C per 3 ore. Si noti che i campioni sottili possono avere bisogno di essere collocato tra due fogli di carta di grafite (o altra temperatura stabile, materiale non reattivo) con peso sopra per evitare la deformazione e &quot;scheggiatura patate.&quot; </li></ol></li><li> Attivazione <ol><li> Attivare parte schiuma carbonio AARF (2 cm × 3 cm × 4 mm, 1,2 g) per generare 3D nanographene (3D-NG) sotto flusso di CO 2 (10 sccm) a 950 ° C per 5 ore. 7 </li></ol></li></ol> 2. grafene ossido di grafene derivate Assemblee Macro <ol><li> NH 4 OH catalizzata GO assemblea <ol><li> In 40 ml fiala di scintillazione, aggiungere acqua deionizzata (20 ml) a 400 mg singolo strato di grafene ossidoe (GO, 300-800 nm di diametro). Disperdere accuratamente con un bagno a ultrasuoni (sonica potenza 90 W, frequenza 40 kHz) O / N. </li><li> Aggiungere NH 4 soluzione concentrata OH (0,211 ml per g di sospensione GO). </li><li> Trasferire in stampi di vetro che possono essere sigillati ermeticamente (ad esempio, fiale di vetro o scivoli separati da una guarnizione in silicone che definisce la forma della parte solida risultante). </li><li> Posizionare gli stampi chiusi in un forno a 80 ° C e la cura per 72 ore. </li><li> Dopo la polimerizzazione, rimuovere i monoliti solidi dallo stampo di vetro e lavare con acqua per rimuovere residui di partenza non reagiti e materiali catalizzatore. Tipicamente eseguire 3 x 12 lavaggi hr con DI fresco H 2 O. Il materiale è ora pronto per l&#39;essiccazione. </li></ol></li><li> Essiccazione <ol><li> CO 2 supercritica <ol><li> Preparare campioni lavati per asciugare con CO 2 supercritica scambiando l&#39;H 2 O solvente con acetone. Rimuovere campione dal bagnomaria e riporre in bagno containing acetone pulito. Sostituire con acetone fresco altre due volte a intervalli di 12 ore. </li><li> Campioni Load acetone-scambiato in un apparecchio di essiccamento supercritico, riempito con acetone e con circolazione del liquido refrigerante a 12-15 ° C. </li><li> Sigillare asciugatrice supercritico e scambio con CO 2 liquida fino remains acetone (4-24 ore a seconda delle dimensioni del campione, la densità, la morfologia dei pori, etc.). Scambio completo è indicato dalla cessazione di acetone gocciola sulla valvola di scarico dell&#39;essiccatore supercritico. </li><li> Spegnere CO 2 fornitura e aumentare la temperatura del liquido di raffreddamento a 55 ° C circolante, mantenendo la pressione nel dryer supercritico tra 1200-1600 psi (80-110 bar). Tenere a 55 ° C per 1 ora. </li><li> Lentamente sfiato CO 2 (2-12 ore) mantenendo la temperatura del refrigerante circolante a 55 ° C. Rimuovere i campioni. </li></ol></li><li> Essiccazione ambiente (xerogel) Si noti che i campioni sottili possono avere bisogno di essere collocato tradue fogli di teflon (o altro materiale antiaderente) con peso sulla parte superiore per evitare la deformazione e &quot;scheggiatura patate.&quot; <ol><li> Preparare campioni lavati per essiccazione in condizioni ambientali scambiando l&#39;H 2 O solvente con acetone. Rimuovere campione dal bagnomaria e posto in bagno contenente acetone pulito. Sostituire con acetone fresco altre due volte a intervalli di 12 ore. </li><li> Posizionare campioni acetone scambiati su una superficie pulita (ad esempio, blocco Teflon). Per rallentare la velocità di evaporazione del solvente per evitare screpolature e irregolare restringimento, coprire il campione con un bicchiere rovesciato di volume sufficiente per fornire un sacco di spazio di testa. </li><li> Lasciare evaporare il solvente per (24-72 ore). </li></ol></li></ol></li><li> Carbonizzazione <ol><li> Eseguire carbonizzazione schiume secche a 1050 ° C sotto atmosfera di N 2. Rampa da RT ad una velocità di 5 ° C / min, e tenere a 1.050 ° C per 3 ore. Si noti che i campioni sottili possono avere bisogno di essere collocato bra due fogli di carta di grafite (o altra temperatura stabile, materiale non reattivo) con peso sulla parte superiore per prevenire il curling e &quot;scheggiatura della patata&quot;. </li><li> Ricottura termica per altamente cristallino GMA. Eseguire ulteriore ricottura termica delle schiume carbonizzati a temperature fino a 2500 ° C in atmosfera di He. Rampa RT ad una velocità di 100 ° C / min, e mantenere a temperatura elevata per 1 ora. </li></ol></li><li> Post-carbonizzazione funzionalizzazione <ol><li> Non covalenti antrachinone funzionalizzazione (AQ-GMA) <ol><li> Preparare una soluzione di 3 mM di antrachinone (AQ) in EtOH secco. Calore in fiala chiusa a 75 ° C per assicurare la completa dissoluzione. </li><li> Aggiungere la soluzione AQ caldo a campione GMA (~ 2 ml / mg di campione). Mettere a bagno in una fiala sigillata per 2 ore a 75 ° C. </li><li> Rimuovere la soluzione AQ eccesso dalla fiala e lasciare asciugare campione a 75 ° CO / N (fiala coronare). </li></ol></li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

E &#39;importante notare che le procedure descritte qui sono solo rappresentative. Molte regolazioni sono possibili per materiali sintonizzare per una specifica applicazione. Ad esempio, variando le concentrazioni materiale di partenza, mantenendo resorcina / formaldeide (RF) rapporto costante, può avere un impatto sulla densità del materiale finale. Catalyst carico può alterare poro morfologia, come un carico superiore nel procedimento RF porta a particelle primarie più piccole e viceversa. Tempo di attivazione pu?...

Dal momento che l&#39;isolamento del grafene nel 2004, 1 interesse a sfruttare le sue proprietà uniche ha portato a sforzi intensi orientato verso l&#39;assemblaggio di grafene in tre dimensioni, strutture monolitiche che conservano le proprietà dei fogli di grafene singoli. 2-5 Questi sforzi sono stati ostacolati dalla fatto che grafene sé è costoso e richiede tempo per produrre e tende ad aggregare in soluzione, che limita la scalabilità di materiali a base di blocchi di grafene. Inoltre, gruppi di grafene sono in genere costituiti da interazioni fisiche di cross-linking (ad esempio, le forze di van der Walls) tra i singoli fogli di grafene, che sono molto meno conduttivo e robustezza meccanica che chimica dei titoli di cross-link. Lawrence Livermore National Laboratory è stato coinvolto nello sviluppo di nuovi porosi, materiali di carbonio a bassa densità dal 1980. 6 Diverse strategie sono state individuate per fabbricare mass-produmateriali cible basati su grafene monolitiche di massa da entrambe le schiume a basso costo-polimero derivato di carbonio, che sono chiamati aerogel di grafene (gas), 7 nonché da cross-linking diretta di ossido di grafene (GO) fogli, che sono chiamati grafene macro gruppi (GMAS). 8,9 Questi materiali sfusi Superficie ultraelevati hanno elevate conducibilità elettrica e termica, eccezionale resistenza meccanica e di elasticità, e morfologie sintonizzabile pori. Gas e accordi di manutenzione hanno trovato utilità in numerose applicazioni, tra cui materiali per elettrodi in supercondensatori e batterie ricaricabili, catalizzatori avanzati supporti informatici, adsorbenti, isolamento termico, sensori e desalinizzazione. 10 La sintesi degli aerogel grafene inizia con sol-gel polimerizzazione di una soluzione acquosa di resorcinolo e formaldeide per generare gel organici altamente reticolati. Questi gel vengono lavati con acqua ed acetone, quindi essiccato con CO 2 supercritica e pirolizzati in un iatmosfera nert per dare aerogel di carbonio con zona relativamente basso superficie e il volume dei pori. Aerogel di carbonio sono attivati ​​da rimozione controllata di atomi di carbonio inferiore a condizione ossidante lieve (ad esempio, CO 2) per formare un materiale reticolato composto sia nanoplatelets carbonio amorfo e grafite, con area superficiale superiore e aperta morfologia dei pori. 7 Un vantaggio unico la sintesi sol-gel è che il gas può essere fabbricato in una varietà di forme, tra monoliti e film sottili, a seconda delle esigenze dell&#39;applicazione. I nanotubi di carbonio 11 e / o 12 fogli di grafene possono essere integrati in gas includendo questi additivi nella soluzione precursore sol-gel. Questo genera strutture composite in cui l&#39;additivo diventa una parte della struttura di rete carbonio primario. Inoltre, la struttura può essere funzionalizzato GA dopo carbonizzazione / attivazione tramite la modifica della superficie aerogel o attraverso la deposizione di materiali,per esempio catalizzatori nanoparticelle, sulla struttura quadro. 13 Grafene macro-assiemi (GMAS) vengono preparate direttamente reticolazione ossido sospesa grafene (GO) fogli, approfittando della loro funzionalità chimica intrinseca. 9 fogli GO contengono una varietà di gruppi funzionali, tra epossido e frazioni idrossido, che può servire come siti reticolazione chimica. Come nella preparazione GA, assemblato accordi di manutenzione sono supercritically essiccato per preservare la rete porosa, quindi pirolizzati a ridurre i chimici legami incrociati in ponti conduttivi di carbonio che forniscono il supporto strutturale per l&#39;assemblaggio. Grazie ai ponti covalenti carbonio tra fogli di grafene, accordi di manutenzione hanno conduttività elettriche e rigidità meccanica che sono ordini di grandezza superiore assiemi grafene formati con reticolazione fisica. Inoltre, accordi di manutenzione hanno superfici che si avvicinano il valore teorico di un singolo foglio di grafene. Post-sintetico t termicoRATTAMENTO a temperature elevate (&gt; 1.050 ° C) può migliorare significativamente la cristallinità di accordi di manutenzione, portando conducibilità per ancora più elevati e moduli di Young e resistenza all&#39;ossidazione termico migliore. trattamento chimico 14 post-sintetica di accordi di manutenzione con redox-attivi molecole organiche come antrachinone può migliorare la capacità di stoccaggio di carica in applicazioni supercondensatori. 15 Le proprietà del materiale sintonizzabile di gas e accordi di manutenzione sono, in parte, a seguito di accuratamente diverse condizioni sintetici come reagenti e catalizzatore concentrazioni, tempo di polimerizzazione e la temperatura, condizioni di essiccazione e processi di carbonizzazione / attivazione. 16 Questo protocollo video dettagliato mira a risolvere le ambiguità nei metodi pubblicati, e per guidare i ricercatori che tentano di riprodurre le condizioni materiali e.

<table><tbody><tr><td>Single Layer Graphene Oxide</td><td>Cheap Tubes</td><td>n/a</td><td>300-800&amp;#160;nm XY dimensions</td></tr><tr><td>single wall carbon nano tubes (SWCNTs)</td><td>Carbon Solutions</td><td>P2-SWNT</td><td></td></tr><tr><td>resorcinol</td><td>Aldrich</td><td>398047-500G</td><td></td></tr><tr><td>37% formaldehyde solution in water</td><td>Aldrich</td><td>252549</td><td></td></tr><tr><td>acetic acid</td><td>Aldrich</td><td>320099</td><td></td></tr><tr><td>ammonium hydroxide solution 28-30% NH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; basis</td><td>Aldrich</td><td>320145</td><td></td></tr><tr><td>sodium carbonate</td><td>Aldrich</td><td>791768</td><td></td></tr><tr><td>anthraquinone</td><td>Aldrich</td><td>a90004</td><td></td></tr><tr><td>Polaron supercritical dryer</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>EMS 3100</td><td>this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work</td></tr></tbody></table>

synthesis and functionalization of 3d nano-graphene materials: graphene aerogels and graphene macro assemblies

Gli sforzi per assemblare grafene in strutture monolitiche tridimensionali sono stati ostacolati dal costo elevato e la scarsa lavorabilità del grafene. Inoltre, la maggior parte ha riferito assemblee di grafene sono tenuti insieme attraverso interazioni fisiche (per esempio, forze di van der Waals) piuttosto che legami chimici, che limitano la loro resistenza meccanica e la conducibilità. Questo video dettagli metodo recentemente sviluppato strategie per fabbricare, prodotti sfusi basati su grafene mass-producibile derivanti sia da schiume polimeriche o singolo strato di ossido di grafene. Questi materiali sono costituiti principalmente da fogli di grafene individuali collegati tramite linker di carbonio legati covalentemente. Mantengono le proprietà favorevoli di grafene come elevata area superficiale ed elevata conducibilità elettrica e termica, combinata con sintonizzabile morfologia dei pori ed eccezionale resistenza meccanica e di elasticità. Questo metodo sintetico flessibile può essere esteso alla realizzazione di nanotubi polimero / carbonio (CNT) und polimero / ossido di grafene (GO) materiali compositi. Inoltre, ulteriore funzionalizzazione post-sintetico con antrachinone è descritto, che consente un notevole aumento delle prestazioni accumulo di carica in applicazioni supercondensatori.

L&#39;evoluzione della composizione del materiale e morfologia durante la fabbricazione può essere monitorato in vari modi, tra cui diffrazione ai raggi X, spettroscopia Raman e NMR, microscopia elettronica, e porosimetria. Ad esempio, nella sintesi, pirolisi, e CO 2 l&#39;attivazione di gas, la conversione è stata seguita mediante diffrazione di raggi X (XRD) (Figura 1E). L&#39;assenza del picco (002) di diffrazione-stacking correlati nel pattern XRD dopo attivazione (tracciato blu) indica...

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Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

Sintesi e funzionalizzazione di 3D Materials Nano-grafene: grafene Aerogels e grafene Assemblee Macro

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

synthesis-functionalization-3d-nano-graphene-materials-graphene

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

14.1K Views.  Lawrence Livermore National Laboratory. This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

Video: Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers

Nitrogen-doped carbon nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs). These as-synthesized graphitic nanocups from chemical vapor deposition (CVD) method were stacked in a head-to-tail fashion held only through noncovalent interactions. Individual NCNCs can be isolated out of their stacking structure through a series of chemical and physical separation processes. First, as-synthesized NCNCs were oxidized in a mixture of strong acids to introduce oxygen-containing defects on the graphitic walls. The oxidized NCNCs were then processed using high-intensity probe-tip sonication which effectively separated the stacked NCNCs into individual graphitic nanocups. Owing to their abundant oxygen and nitrogen surface functionalities, the resulted individual NCNCs are highly hydrophilic and can be effectively functionalized with gold nanoparticles (GNPs), which preferentially fit in the opening of the cups as cork stoppers. These graphitic nanocups corked with GNPs may find promising applications as nanoscale containers and drug carriers.

We discussed the synthesis of individual graphitic nanocups using a series of techniques including chemical vapor deposition, acid oxidation and probe-tip sonication. By citrate reduction of HAuCl4, the graphitic nanocups were effectively corked with gold nanoparticles due to the chemically reactive edges of the cups.

Sintesi e funzionalizzazione di azoto drogati Coppe nanotubi di carbonio con nanoparticelle di oro come tappi di sughero

Nitrogen-doped carbon  nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as  nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs).  These ...

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A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and scalable technique efficiently functionalizes metallic nanoparticles with thiol-ligands in a miscible water/organic solvent mixture allowing for rapid grafting of thiol groups onto the gold nanoparticle surface. The hydrophobic ligands on the nanoparticles then quickly phase separate the nanoparticles from the aqueous based suspension and confine them to the air-fluid interface. This drives the ligand-capped nanoparticles to form monolayer domains at the air-fluid interface.&#160; The use of water-miscible organic solvents is important as it enables the transport of the nanoparticles from the interface onto template-free substrates.&#160; The flow is mediated by a surface tension gradient3,4 and creates macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle-ligand films.&#160; This self-assembly technique may be generalized to include the use of particles of different compositions, size, and shape and may lead to an efficient assembly method to produce low-cost, macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle films for wide-spread applications.

A simple, robust and scalable technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates is described in this protocol.

Una tecnica di funzionalizzare e Self-montare macroscopiche nanoparticelle-ligando monostrato Films su substrati privi di modello

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

Chimica

Preparation of Carbon Nanosheets at Room Temperature

Amphiphilic molecules equipped with a reactive, carbon-rich "oligoyne" segment consisting of conjugated carbon-carbon triple bonds self-assemble into defined aggregates in aqueous media and at the air-water interface. In the aggregated state, the oligoynes can then be carbonized under mild conditions while preserving the morphology and the embedded chemical functionalization. This novel approach provides direct access to functionalized carbon nanomaterials. In this article, we present a synthetic approach that allows us to prepare hexayne carboxylate amphiphiles as carbon-rich siblings of typical fatty acid esters through a series of repeated bromination and Negishi-type cross-coupling reactions. The obtained compounds are designed to self-assemble into monolayers at the air-water interface, and we show how this can be achieved in a Langmuir trough. Thus, compression of the molecules at the air-water interface triggers the film formation and leads to a densely packed layer of the molecules. The complete carbonization of the films at the air-water interface is then accomplished by cross-linking of the hexayne layer at room temperature, using UV irradiation as a mild external stimulus. The changes in the layer during this process can be monitored with the help of infrared reflection-absorption spectroscopy and Brewster angle microscopy. Moreover, a transfer of the carbonized films onto solid substrates by the Langmuir-Blodgett technique has enabled us to prove that they were carbon nanosheets with lateral dimensions on the order of centimeters.

We present the synthesis of an amphiphilic hexayne and its use in the preparation of carbon nanosheets at the air-water interface from a self-assembled monolayer of these reactive, carbon-rich molecular precursors.

Preparazione di carbonio nanosheets a temperatura ambiente

Amphiphilic molecules equipped with a reactive, carbon-rich "oligoyne" segment consisting of conjugated carbon-carbon triple bonds self-assemble into ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using visible light irradiation with plasmonic nanoparticles. The plasmonic nanoparticle is used to improve the reduction efficiency of GO. It only takes 30 min&#160;at RT by illuminating the solutions with Xe-lamp, the r-GO solutions can be obtained by completely removing gold nanoparticles through simple centrifugation step. The spherical gold nanoparticles (AuNPs) as compared to the other nanostructures is the most suitable plasmonic nanostructure for r-GO preparation. The reduced graphene oxide prepared using visible light and AuNPs was equally qualitative as chemically reduced graphene oxide, which was supported by various analytical techniques such as UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, powder XRD and XPS. The reduced graphene oxide prepared with visible light shows excellent quenching properties over the fluorescent molecules modified on ssDNA and excellent fluorescence recovery for target DNA detection. The r-GO prepared by recycled AuNPs is found to be of same quality with that of chemically reduced r-GO. The use of visible light with plasmonic nanoparticle demonstrates the good alternative method for r-GO synthesis.

A simple protocol for the preparation of reduced graphene oxide using visible light and plasmonic nanoparticle is described.

Luce visibile riduzione indotta di grafene ossido Usando nanoparticelle plasmoniche

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.

A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.

Funzionalizzazione di single-walled nanotubi di carbonio con termo-reversibili Block Copolimeri e caratterizzazione da piccolo angolo Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We present methods for depositing and passively manipulating C60 molecules on rippled graphene that advance the pursuit of realizing applications involving 1D C60/graphene hybrid structures. The techniques applied in this exposition are geared towards high vacuum systems with preparation areas capable of supporting molecular deposition as well as thermal annealing of the samples. We focus on C60 deposition at low pressure using a homemade Knudsen cell connected to a scanning tunneling microscopy (STM) system. The number of molecules deposited is regulated by controlling the temperature of the Knudsen cell and the deposition time. One-dimensional (1D) C60 chain structures with widths of two to three molecules can be prepared via tuning of the experimental conditions. The surface mobility of the C60 molecules increases with annealing temperature allowing them to move within the periodic potential of the rippled graphene. Using this mechanism, it is possible to control the transition of 1D C60 chain structures to a hexagonal close packed quasi-1D stripe structure.

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Here we present a protocol for the fabrication of C60/graphene hybrid nanostructures by physical thermal evaporation. Particularly, the proper manipulation of deposition and annealing conditions allow the control over the creation of 1D and quasi 1D C60 structures on rippled graphene.

Preparazione e caratterizzazione di nanostrutture ibride C60/Graphene

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We ...

A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various precursor noble metal ions with reducing agents in a 1:1 (v/v) ratio results in the formation of metal gels within seconds to minutes compared to much longer synthesis times for other techniques such as sol-gel. Conducting the reduction step in a microcentrifuge tube or small volume conical tube facilitates a proposed nucleation, growth, densification, fusion, equilibration model for gel formation, with final gel geometry smaller than the initial reaction volume. This method takes advantage of the vigorous hydrogen gas evolution as a by-product of the reduction step, and as a consequence of reagent concentrations. The solvent accessible specific surface area is determined with both electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. After rinsing and freeze drying, the resulting aerogel structure is examined with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, and nitrogen gas adsorption. The synthesis method and characterization techniques result in a close correspondence of aerogel ligament sizes. This synthesis method for noble metal aerogels demonstrates that high specific surface area monoliths may be achieved with a rapid and direct reduction approach.

A rapid, direct solution-based reduction synthesis method to obtain Au, Pd, and Pt aerogels is presented.

Un metodo di sintesi rapida per Au, Pd e Pt Aerogels tramite riduzione diretta basata su soluzione

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various ...

Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding

The assembly of two-dimensional (2D) graphene into three-dimensional (3D) polyhedral structures while preserving the graphene's excellent inherent properties has been of great interest for the development of novel device applications. Here, fabrication of 3D, microscale, hollow polyhedrons (cubes) consisting of a few layers of 2D graphene or graphene oxide sheets via an origami-like self-folding process is described. This method involves the use of polymer frames and hinges, and aluminum oxide/chromium protection layers that reduce tensile, spatial, and surface tension stresses on the graphene-based membranes when the 2D nets are transformed into 3D cubes. The process offers control of the size and shape of the structures as well as parallel production. In addition, this approach allows the creation of surface modifications by metal patterning on each face of the 3D cubes. Raman spectroscopy studies show the method allows the preservation of the intrinsic properties of the graphene-based membranes, demonstrating the robustness of our method.

Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding

Here, we present a protocol for fabrication of 3D graphene-based polyhedrons via origami-like self-folding.

Fabbricazione di poliedri tridimensionali basati sul grafene via come Origami auto-pieghevole

The assembly of two-dimensional (2D) graphene into three-dimensional (3D) polyhedral structures while preserving the graphene's excellent inherent ...

Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often result in fragile aerogels with poor shape control. The use of carboxymethylated cellulose nanofibers (CNFs) to form a covalently bonded hydrogel allows for the reduction of metal ions such as palladium on the CNFs with control over both nanostructure and macroscopic aerogel monolith shape after supercritical drying. Crosslinking the carboxymethylated cellulose nanofibers is achieved using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) in the presence of ethylenediamine. The CNF hydrogels maintain their shape throughout synthesis steps including covalent crosslinking, equilibration with precursor ions, metal reduction with high concentration reducing agent, rinsing in water, ethanol solvent exchange, and CO2 supercritical drying. Varying the precursor palladium ion concentration allows for control over the metal content in the final aerogel composite through a direct ion chemical reduction rather than relying on the relatively slow coalescence of pre-formed nanoparticles used in other sol-gel techniques. With diffusion as the basis to introduce and remove chemical species into and out of the hydrogel, this method is suitable for smaller bulk geometries and thin films. Characterization of the cellulose nanofiber-palladium composite aerogels with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, thermal gravimetric analysis, nitrogen gas adsorption, electrochemical impedance spectroscopy, and cyclic voltammetry indicates a high surface area, metallized palladium porous structure.

A synthesis method for cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented.The resulting composite aerogel materials offer potential for catalysis, sensing, and hydrogen gas storage applications.

Metodo di sintesi per Cellulosa Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often ...

Synthesis of Graphene Nanofluids with Controllable Flake Size Distributions

A method for synthesizing graphene nanofluids with controllable flake size distributions is presented. Graphene nanoflakes can be obtained by the exfoliation of graphite in the liquid phase, and the exfoliation time is used to control the lower limits of the graphene nanoflake size distributions. Centrifugation is successfully used to control the upper limits of the nanoparticle size distributions. The objective of this work is to combine exfoliation and centrifugation to control the graphene nanoflake size distributions in the resulting suspensions.

A method for synthesizing graphene nanofluids with controllable flake size distributions is presented.

Sintesi e funzionalizzazione di 3D Materials Nano-grafene: grafene Aerogels e grafene Assemblee Macro

Riepilogo

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