"A silica sol-gel design strategy for nanostructured metallic materials". S. C. Warren, M. R. Perkins, A. M. Adams, M. Kamperman, A. A. Burns, H. Arora, E. Herz, T. Suteewong, H. Sai, Z. Li, J. Werner, J. Song, U. Werner-Zwanziger, J. W. Zwanziger, M. Grätzel, F. J. DiSalvo, U. Wiesner.
NATURE MATERIALS. In press. DOI: 10.1038/nmat3274
Batteries, fuel cells and solar cells, among many other
high-current-density devices, could benefit from the precise meso- to
macroscopic structure control afforded by the silica sol–gel process.
The porous materials made by silica sol–gel chemistry are typically
insulators, however, which has restricted their application. Here we
present a simple, yet highly versatile silica sol–gel process built
around a multifunctional sol–gel precursor that is derived from the
following: amino acids, hydroxy acids or peptides; a silicon alkoxide;
and a metal acetate. This approach allows a wide range of biological
functionalities and metals—including noble metals—to be combined into a
library of sol–gel materials with a high degree of control over
composition and structure. We demonstrate that the sol–gel process based
on these precursors is compatible with block-copolymer self-assembly,
colloidal crystal templating and the Stöber process. As a result of the
exceptionally high metal content, these materials can be thermally
processed to make porous nanocomposites with metallic percolation
networks that have an electrical conductivity of over 1,000 S cm−1.
This improves the electrical conductivity of porous silica sol–gel
nanocomposites by three orders of magnitude over existing approaches,
opening applications to high-current-density devices.
Las baterías, las celdas de combustible y las celdas solares, entre muchos otros dispositivos con altas densidades de corriente, pueden beneficiarse del control preciso que mediante el proceso sol-gel para la síntesis de dióxido de silicio puede lograrse en la formación de estructuras con dimensiones que van de lo meso- a lo macroscopico. Los materiales porosos, hechos mediante la química sol-gel correspondiente a la síntesis de dióxido de silicio, normalmente son aislantes, lo cual ha restringido sus posibles aplicaciones. Aquí se presenta un proceso sol-gel para la síntesis de dióxido de silicio, que es sencillo pero altamente versátil, construído a partir de precursores sol-gel multifuncionales que son derivados de: aminoácidos, ácidos hidroxílicos o péptidos; un alcóxido de silicio; y un acetato metálico. Esta propuesta permite que un amplio intervalo de funcionalidades biológicas y de metales (incluyendo a los metales nobles) puedan combinarse en una biblioteca de materiales sol-gel con un alto grado de control sobre su composición y su estructura. Se demuestra que el proceso sol-gel basado en estos precursores es compatible con los procesos de autoensamblado de los copolímeros de bloque, arreglo de cristales coloidales y con el proceso de Stöber. Como resultado del contenido excepcionalmente alto de metal, estos materiales pueden ser procesados térmicamente para formar nanocompuestos porosos con redes de percolación metálicas que tienen una conductividad eléctrica por arriba de los 1,000 S cm−1. Esto mejora la conductividad eléctrica de los nanocompuestos sol-gel de dióxido de silicio en tres órdenes de magnitud, en relación a lo hasta ahora existente, lo cual permite aplicaciones en dispositivos que requieren altas densidades de corriente.
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