A greener approach for synthesizing metal-decorated carbogels from alginate for emerging technologies

Abstract

In the present work, a series of metal nanoparticle-decorated carbogels (M-DCs) was synthesized starting from beads of parent metal-crosslinked alginate aerogels (M-CAs). M-CAs contained Ca(II), Ni(II), Cu(II), Pd(II) and Pt(iv) ions and were converted to M-DCs by pyrolysis under a N2 atmosphere up to pyrolysis temperatures of TP = 600 °C. The textural properties of M-CAs are found to depend on the crosslinking ion, yielding fibrous pore networks with a high specific mesoporous volume and specific surface area SV (SV ∼ 480–687 m2 g−1) for M-CAs crosslinked with hard cations, Ca(II), Ni(II) and Cu(II), and comparably loose networks with increased macroporosity and lower specific surface (SV ∼ 240–270 m2 g−1) for Pd(II) and Pt(IV) crosslinked aerogels. The pyrolysis of M-CAs resulted in two simultaneously occurring processes: changes in the solid backbone and the growth of metal/metal oxide nanoparticles (NPs). The thermogravimetric analysis (TGA) showed a significant influence of the crosslinking cation on the decomposition mechanism and associated change in textural properties. Scanning electron microscopy-backscattered electron imaging (SEM-BSE) and X-ray diffraction revealed that metal ions (molecularly dispersed in the parent aerogels) formed nanoparticles composed of elementary metals and metal oxides in varying ratios over the course of pyrolytic treatment. Increasing the TP led to generally larger nanoparticles. The pyrolysis of the nickel-crosslinked aerogel (Ni-CA) preserved, to a large extent, the mesoporous structure and resulted in the evolution of fine (∼14 nm) homogeneously dispersed Ni/NiO nanoparticles. Overall, this work presents a green approach for synthesizing metal-nanoparticle containing carbon materials, useful in emerging technologies related to heterogeneous catalysis and electrocatalysis, among others.

En el presente trabajo, se sintetizó una serie de carbogeles decorados con nanopartículas metálicas (M-DC) a partir de microesferas de aerogeles de alginato reticulados con metal (M-CA). Los M-CA contenían iones Ca(II), Ni(II), Cu(II), Pd(II) y Pt(iv) y se convirtieron en M-DC mediante pirólisis en atmósfera de N₂ hasta temperaturas de pirólisis de TP = 600 °C. Se ha descubierto que las propiedades texturales de los M-CA dependen del ion reticulante, lo que produce redes de poros fibrosos con un alto volumen mesoporoso específico y área superficial específica SV (SV ∼ 480–687 m2 g−1) para los M-CA reticulados con cationes duros, Ca(II), Ni(II) y Cu(II), y redes comparativamente laxas con mayor macroporosidad y menor superficie específica (SV ∼ 240–270 m2 g−1) para aerogeles reticulados con Pd(II) y Pt(IV). La pirólisis de los M-CA dio lugar a dos procesos simultáneos: cambios en la estructura sólida y el crecimiento de nanopartículas (NP) de metal/óxido metálico. El análisis termogravimétrico (TGA) mostró una influencia significativa del catión reticulante en el mecanismo de descomposición y el cambio asociado en las propiedades texturales. La microscopía electrónica de barrido con retrodispersión electrónica (SEM-BSE) y la difracción de rayos X revelaron que los iones metálicos (dispersos molecularmente en los aerogeles originales) formaron nanopartículas compuestas de metales elementales y óxidos metálicos en proporciones variables durante el tratamiento pirolítico. El aumento de la TP resultó en nanopartículas generalmente más grandes. La pirólisis del aerogel reticulado con níquel (Ni-CA) preservó, en gran medida, la estructura mesoporosa y resultó en la evolución de nanopartículas finas (∼14 nm) de Ni/NiO homogéneamente dispersas. En resumen, este trabajo presenta un enfoque ecológico para sintetizar materiales de carbono que contienen nanopartículas metálicas, útiles en tecnologías emergentes relacionadas con la catálisis heterogénea y la electrocatálisis, entre otras.