擬似弾性ニッケルチタン合金に固定化された薄い酸化膜に動的歪みを適用する
Summary
動的な引張歪は、TiO2 薄膜に適用され、電触媒、特にプロトン還元および水酸化に対する歪みの影響を研究する。TiO2 フィルムは、擬似弾性NiTi合金(ニチノール)の熱処理により調製される。
Abstract
歪みを通じた材料構造/機能の直接変化は、材料の新しい特性が出現することを可能にする研究の成長領域です。材料構造の調整は、材料に課せられた外力を制御し、応力-ひずみ応答を誘導することによって達成することができる(すなわち、動的ひずみを適用する)。電気活性薄膜は、通常、形状または体積調整可能な弾性基材に堆積し、機械的ローディング(すなわち、圧縮または張力)が、被課せられた歪みを通してフィルムの構造および機能に影響を与える可能性がある。ここでは、擬似弾性ニッケルチタン合金(ニチノール)の熱処理により作製2されるn型ドープ二酸化チタン(TiO2)フィルムをストレインする方法をまとめておく。本方法の主な目的は、金属酸化物の電気触媒活動、特に水素の進化と酸素の進化反応に対する歪みがどのように影響するかを調べるものです。同じシステムは、より広く歪みの効果を研究するために適応することができる。ひずみエンジニアリングは、材料機能の最適化、ならびに外部応力制御下での調整可能な多機能(写真)エレクトロ触媒材料の設計に適用できます。
Introduction
ひずみを導入して触媒材料の表面反応性を変化させる能力が広く認識されているが、1、2、3。,2,3結晶材料における歪みの影響は、材料アーキテクチャ(静的歪み)を調整するか、または可変外力(動的歪み)を適用することによって導入することができる。結晶性材料において、静的株は、ドーピング4、脱合金5、6、6ア5ニール7、不一致の結晶格子2またはサイズ閉じ込め22、33上2のエピタキシャル成長によって導入することができる。多結晶材料では、結晶のツワイニング8による粒子境界内でひずみが発生する可能性があります。材料アーキテクチャで最適な静的歪度を決定するには、ひずみの各個別レベルに対して新しいサンプルを設計する必要があり、時間とコストがかかる可能性があります。さらに、静的株を導入すると、化学的またはリガンド効果が9,1010に及ぶことが多く、ひずみの寄与を単離することが困難になる。外部力によって正確に制御される動的ひずみを適用することで、他の効果を生かさずに歪み空間上のダイナミックレンジを探索するために、材料の構造/機能関係を体系的に調整することができます。
電気触媒に対する動的歪みの影響を研究するために、金属または金属酸化物,は、有機ポリマー,11、12、13、14、15または合金13,14121516、17,17などの弾性形状または体積調整可能な基質に堆積する。,機械的、熱的、または電気的負荷のアプリケーションは、弾性基板の曲げ、圧縮、伸びまたは膨張をもたらし、さらに堆積した触媒材料に応力-ひずみ応答を誘導する。これまで、動的歪みを通じた触媒工学は、金属・半導体材料の電気触媒活動を調整するために活用されてきました。,19,例としては12,15、MoSx2、Au、Pt、Ni、Cu、WC211、12、13、14、ii)の酸素進化反応(OER)、,12,13,14ニッケル鉄合金1118およびiii)の水素進化反応(HER)が含18まれる。これらの報告のほとんどにおいて、ポリメチルメタクリレート(PMMA)のような有機ポリマーは、弾性基材として使用された。我々は、以前、ステンレス鋼16や超弾性/形状記憶NiTi合金(ニチノール17、21)などの弾性金属基材17,21の歪み研究への応用を実証した。ニチノールは、ORR用白金フィルムの蒸着用の弾性基材としても使用されており、エネルギー貯蔵用カソード材料の蒸着は22,23,23である。その形状記憶および疑似弾性特性のために、NiTi合金は適度な熱19または機械的ひずみ17をそれぞれ適用することによって変形することができる。有機弾性基材とは対照的に、金属基材は、典型的には接着促進剤の堆積を必要とせず、高導電性であり、容易に機能させることができる。ニチノールはステンレス鋼(SS)に対してより弾性の代替として使用されます。SSは0.2%まで可逆的に張ることができますが、ニチノールは7%まで可逆的に緊張することができます。ニチノールは、大きな弾性変形24、25,を可能にするマルテンシティック固体結晶変換にそのユニークな特性を負っている。両方の材料は、異なる形状(例えば、箔、ワイヤ、ばね)で市販されています。弾性ばねに成形すると、金属基質は高価な計装を必要とせずに電気触媒に対する動的歪みの影響を研究するために使用することができます。ただし、応力-ひずみ応答を定義することは、他のジオメトリよりも困難です。
遷移金属触媒を用いた以前の実験研究では、歪み下での触媒表面の活動の変化は、口語的にdバンド理論26として知られるd軌道のエネルギーの変化に起因していた。対照的に、金属酸化物に対する歪みの影響は、バンドギャップ、キャリア移動度、欠陥の拡散および分布、さらには直接的/間接的な遷移21、27、28、29、30、31,27,28,29に影響を及ぼす可能性があるので30、31かなり複雑である。,ここでは、n型ドープTiO2薄膜の調製および特性評価のための詳細なプロトコルと2、チューナブルな引張歪の下でこれらのフィルムの電気触媒活動を研究するためのプロトコルを提供する。等価システムは動的ひずみの機能として異なる材料の電気触媒活動を研究するために適用することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
ニチノールは、薄膜に機械的ストレスを与えるのに適した弾性基材である。市販されており、導電性が高く、容易に機能化できる。ルチルTiO2薄2膜の作製は、ニチノールの熱処理により、高n型ドープTiO22をもたらす。NiTi/TiO2は、TiO2フィルムが堆積法ではなくNiTiの熱処理によって調製されるユニークなシステムであることを強調することが重要です。2 2我々の?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、米国エネルギー省(DOE)の国立再生可能エネルギー研究所のマネージャー兼運営者である持続可能なエネルギー同盟の従業員であるすべての共同執筆者によって行われました。DE-AC36-08GO28308.米国DOE、科学局、基礎エネルギー科学局、化学科学、地球科学、生命科学部門、太陽光化学プログラムが提供する資金。
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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