Aplicación de tensión dinámica en películas de óxido fino inmovilizadas en una aleación pseudoelástica de níquel y titanio
Summary
La tensión dinámica se aplica en las películas delgadas TiO2 para estudiar los efectos de la tensión en la electrocatálisis, específicamente la reducción de protones y la oxidación del agua. Las películas TiO2 se preparan mediante tratamiento térmico de la aleación NiTi pseudo-elástica (Nitinol).
Abstract
La alteración directa de la estructura/función del material a través de la tensión es un área creciente de investigación que ha permitido la surgen de nuevas propiedades de los materiales. La estructura del material de ajuste se puede lograr controlando una fuerza externa impuesta a los materiales e induciendo respuestas de tensión-deformación unitaria (es decir, aplicando deformación unitaria dinámica). Las películas delgadas electroactivas se depositan típicamente en sustratos elásticos sintonizables en forma o volumen, donde la carga mecánica (es decir, compresión o tensión) puede afectar la estructura y el funcionamiento de la película a través de la tensión impuesta. Aquí, resumimos los métodos para colar películas de dióxido de titanio dopado de tipo n (TiO2)preparadas mediante un tratamiento térmico de una aleación de níquel-titanio pseudo-elástico (Nitinol). El propósito principal de los métodos descritos es estudiar cómo la cepa afecta las actividades electrocatalíticas del óxido metálico, específicamente la evolución del hidrógeno y las reacciones de evolución del oxígeno. El mismo sistema se puede adaptar para estudiar el efecto de la tensión de manera más amplia. La ingeniería de tensión se puede aplicar para la optimización de una función de material, así como para el diseño de materiales ajustables, multifuncionales (foto)electrocatalíticos bajo control de tensión externo.
Introduction
La capacidad de alterar la reactividad superficial de los materiales catalíticos mediante la introducción de la tensión ha sido ampliamente reconocida1,2,3. Los efectos de la tensión en materiales cristalinos se pueden introducir ajustando la arquitectura del material(deformación unitaria estática)o aplicando una fuerza externa variable(deformación dinámica). En materiales cristalinos, la tensión estática se puede introducirdopando 4, desalecación5,6, recocido7, crecimiento epitaxial en una celosía de cristal no coincidente2 o confinamiento de tamaño2,3. En materiales policristalinos, la deformación unitaria puede producirse dentro de los límites del grano debido al hermanamiento decristales 8. Determinar el grado óptimo de tensión estática con arquitecturas de materiales requiere diseñar una nueva muestra para cada nivel discreto de tensión, que puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Además, la introducción de la cepa estática a menudo introduce efectos químicos o ligando9,10, lo que dificulta aislar la contribución de la cepa. La aplicación de una tensión dinámica controlada con precisión por una fuerza externa permite ajustar sistemáticamente la relación estructura/función de un material con el fin de explorar un rango dinámico sobre el espacio de deformación unitaria sin introducir otros efectos.
Para estudiar los efectos de la tensión dinámica en la electrocatálisis, los metales u óxidos metálicos se depositan en forma elástica o sustratos sintonizables por volumen, como polímeros orgánicos11,,12,,13,,14,,15 o aleaciones16,,17. Las aplicaciones de carga mecánica, térmica o eléctrica dan como resultado la flexión, compresión, elongación o expansión de un sustrato elástico, induciendo aún más una respuesta de tensión-tensión en el material catalítico depositado. Hasta ahora, la ingeniería de catalizadores a través de la cepa dinámica se ha explotado para ajustar las actividades electrocatalíticas de diversos materiales metálicos y semiconductores. Algunos ejemplos son i) la reacción de evolución del hidrógeno (HER) en MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) la reacción de evolución de oxígeno (OER) en NiOx16, aleaciones de níquel-hierro18 y iii) la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en Pt, Pd12,15,19,20. En la mayoría de estos informes, los polímeros orgánicos, como el metacrilato de polimetil (PMMA), se utilizaron como sustratos elásticos. Anteriormente demostramos la aplicación de sustratos metálicos elásticos, como el acero inoxidable16 y una aleación NiTi superelástica/memoria de forma (Nitinol17,21) para estudios de deformación unitaria. Nitinol también se ha utilizado como sustrato elástico para la deposición de películas de platino para ORR19 y la deposición de materiales cátodos de batería para el almacenamiento de energía22,,23. Debido a su memoria de forma y propiedades pseudoelásticas, las aleaciones NiTi se pueden deformar aplicando calor moderado19 o tensión mecánica17,respectivamente. A diferencia de los sustratos elásticos orgánicos, los sustratos metálicos normalmente no requieren la deposición de los promotores de la adhesión, son altamente conductores y se pueden funcionalizar fácilmente. El nitinol se utiliza como una alternativa más elástica al acero inoxidable (SS). Mientras que las SS se pueden tensar de forma reversible hasta un 0,2%, el nitinol puede tensarse de forma reversible hasta un 7%. Nitinol debe sus propiedades únicas a una transformación cristalina de estado sólido martensítico que permite grandes deformaciones elásticas24,,25. Ambos materiales están disponibles comercialmente en diferentes geometrías (por ejemplo, láminas, alambres y muelles). Cuando se moldea en muelles elásticos, los sustratos metálicos se pueden utilizar para estudiar los efectos de la tensión dinámica en la electrocatálisis sin necesidad de instrumentación costosa16; sin embargo, definir la respuesta de tensión-deformación unitaria es más difícil que para otras geometrías.
En estudios experimentales previos con catalizadores metálicos de transición, los cambios en las actividades de las superficies catalíticas bajo tensión se han atribuido a cambios en la energía de los orbitales d conocidos coloquialmente como teoría de la banda d26. Por el contrario, los efectos de la tensión sobre los óxidos metálicos son significativamente más complejos, ya que puede afectar a bandgap, movilidad de portadoras, difusión y distribución de defectos e incluso transiciones directas/indirectas21,27,28,29,30,31. Aquí proporcionamos protocolos detallados para la preparación y caracterización de películas delgadas TiO2 dopadas de tipo n, así como protocolos para estudiar las actividades electrocatalíticas de estas películas bajo tensión tunable. El sistema equivalente se puede aplicar para estudiar las actividades electrocatalíticas de diferentes materiales en función de la tensión dinámica.
Protocol
Representative Results
Discussion
El nitinol es un sustrato elástico adecuado para aplicar tensión mecánica en películas delgadas. Está disponible comercialmente, altamente conductor y se puede funcionalizar fácilmente. Preparación de películas delgadas TiO2 rutilo mediante tratamiento térmico de nitinol, resulta en TiO2dopado de alto tipo n. Es importante destacar que NiTi/TiO2 es un sistema único donde las películas TiO2 se preparan mediante tratamiento térmico de NiTi en lugar de un método de de…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue realizado por todos los coautores, empleados de la Alliance for Sustainable Energy, LLC, el gerente y operador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables para el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) bajo el Contrato No. DE-AC36-08GO28308. Financiación proporcionada por el DOE de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, Programa de Fotoquímica Solar.
Materials
| 2-Propanol | Sigma Aldrich | 109634 | |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode | BASi | MF-2052 | |
| Alkaline Reference Electrode | Basi | EF-1369 | |
| Ethyl alcohol, Pure, 200 proof, anhydrous, =99.5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| MT I I / F u l l am SEMTester Series | MTI Instruments | ||
| Nitinol foil, 0.05mm (0.002in) thick, superelastic, flat annealed, pickled surface | Alfa Aesar | 45492 | |
| PK-4 Electrode Polishing Kit | BASi | MF-2060 | |
| Potentiostat 600D | CHI instruments | 600D | |
| Pt wire | Sigma Aldrich | 267228-1G | |
| Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | 221465 | |
| Sulfuric acid | Sigma Aldrich | 30743 |
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