Anvendelse dynamisk belastning på tyndoxid film immobiliseret på en pseudoelastic Nikkel-Titanium legering
Summary
Dynamisk, trækspænding påføres på tynde TiO2-film for at undersøge belastningens indvirkning på elektrokalyse, specielt protonreduktion og vandoxidation. TiO2 film er udarbejdet ved termisk behandling af pseudo-elastisk NiTi legering (Nitinol).
Abstract
Direkte ændring af materialestruktur/funktion gennem belastning er et voksende forskningsområde, der har gjort det muligt at fremse nye egenskaber af materialer. Tuning materialestruktur kan opnås ved at kontrollere en ekstern kraft pålagt materialer og inducere stress-stamme reaktioner (dvs. anvende dynamisk belastning). Elektroaktive tynde film deponeres typisk på form eller volumen, hvor mekanisk belastning (dvs. kompression eller spænding) kan påvirke filmstrukturen og funktionen gennem påtvunget belastning. Her opsummerer vi metoder til at belaste n-type doteret titandioxid (TiO2)film udarbejdet ved en termisk behandling af en pseudo-elastisk nikkel-titanium legering (Nitinol). Hovedformålet med de beskrevne metoder er at undersøge, hvordan belastning påvirker elektrokatalytiske aktiviteter af metaloxid, specielt brint evolution og ilt evolution reaktioner. Det samme system kan tilpasses for at undersøge virkningen af belastningen mere bredt. Strain engineering kan anvendes til optimering af en materialefunktion, samt til design af justerbare, multifunktionelle (foto) elektrokalytiske materialer under ekstern stress kontrol.
Introduction
Evnen til at ændre overflade reaktivitet af katalytiske materialer ved at indføre stamme er blevet bredt anerkendt1,2,3. Virkninger af stamme i krystallinske materialer kan indføres enten ved at justere materialearkitektur (statisk stamme) eller ved at anvende en variabel ekstern kraft (dynamisk stamme). I krystallinske materialer, statisk stamme kan indføres ved doping4, de-leger5,6, glødende7, epitaxial vækst på en uoverensstemmende krystal gitter2 eller størrelse indespærring2,3. I polykrystallinske materialer kan stamme forekomme inden for korngrænser på grund afkrystaltwinnings 8. Bestemmelse af den optimale grad af statisk stamme med materialearkitekturer kræver, at der designes en ny prøve for hvert diskret belastningsniveau, hvilket kan være tidskrævende og dyrt. Desuden indfører statisk belastning ofte kemiske eller ligand effekter9,10, hvilket gør det vanskeligt at isolere belastningen bidrag. Anvendelse af en dynamisk belastning, der er præcist styret af en ekstern kraft, muliggør systematisk tilpasning af et materiales struktur/funktionsforhold for at udforske et dynamisk område over belastningsområdet uden at indføre andre effekter.
For at undersøge virkningerne af dynamisk belastning på elektrokalyse aflejres metaller eller metaloxider på elastisk form eller volumen, der ikke kan substrater, såsom organiskepolymerer 11,12,13,14,15 eller legeringer16,17. Anvendelse af mekanisk, termisk eller elektrisk belastning resulterer i bøjning, kompression, forlængelse eller udvidelse af et elastisk underlag, hvilket yderligere fremkalder en stressbelastning på det deponerede katalytiske materiale. Hidtil har katalysator teknik gennem dynamisk stamme blevet udnyttet til at tune elektrokatalytiske aktiviteter af forskellige metalliske og halvledende materialer. Som eksempler kan nævnes i) hydrogene evolutionsreaktionen (HER) på MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,,12,,13,14,ii) ilteudviklingsreaktionen (OER) på NiOx16, nikkel-jernlegeringer18 og iii) iltreduktionsreaktionen (ORR) på Pt, Pd12,15,19,20. I de fleste af disse rapporter blev organiske polymerer, såsom polymethylmethacrylat (PMMA), anvendt som elastiske substrater. Vi har tidligere vist anvendelsen af elastiske metalliske substrater, såsomrustfrit stål 16 og en superelastisk/ form-hukommelse NiTi legering (Nitinol17,,21) for stamme undersøgelser. Nitinol er også blevet brugt som et elastisk substrat til aflejring af platinfilm til ORR19 og aflejring af batterikatodermaterialer til energilagring22,23. På grund af sin form hukommelse og pseudoelastiske egenskaber, NiTi legeringer kan deformeres ved at anvende moderatvarme 19 eller mekanisk belastning17, henholdsvis. I modsætning til organiske elastiske substrater kræver metalliske substrater typisk ikke aflejring af vedhæftningspromotorer, er meget ledende og kan nemt fungere. Nitinol bruges som et mere elastisk alternativ til rustfrit stål (SS). Mens SS kan være reversibilt anstrengt op til 0,2%, nitinol kan være reversibilt anstrengt op til 7%. Nitinol skylder sine unikke egenskaber til en martensitisk solid state krystal transformation, der giver mulighed for store elastiske deformationer24,25. Begge materialer fås kommercielt i forskellige geometrier (f.eks. folier, ledninger og fjedre). Når metalliske substrater er formet til elastiske fjedre, kan de anvendes til at undersøge virkningerne af dynamisk belastning på elektrokalyse uden behov for dyr instrumentering16; det er dog mere udfordrende at definere stressbelastningsresponsen end for andre geometrier.
I tidligere eksperimentelle undersøgelser med overgang metal katalysatorer, ændringer i aktiviteterne i katalytiske overflader under pres er blevet tilskrevet ændringer i de energiske af d orbitaler i daglig tale kendt som d-band teori26. I modsætning hertil er virkningerne af belastningen på metaloxider betydeligt mere komplekse, da det kan påvirke bandgap, bæremobilitet, udbredelse og fordeling af defekter og endda direkte/indirekteovergange 21,27,28,29,30,31. Heri leverer vi detaljerede protokoller til forberedelse og karakterisering af n-type doteret TiO2 tynde film, samt protokoller til at studere elektrokatalytiske aktiviteter af disse film under tunable, trækstamme. Det tilsvarende system kan anvendes til at studere elektrokatalytiske aktiviteter af forskellige materialer som en funktion af dynamisk belastning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol er et egnet elastisk substrat til anvendelse af mekanisk belastning på tynde film. Det er kommercielt tilgængelige, meget ledende og kan let fungeres. Forberedelse af rutile TiO2 tynde film ved termisk behandling af nitinol, resulterer i meget n-type doteret TiO2. Det er vigtigt at understrege, at NiTi/TiO2 er et unikt system, hvor TiO2-film er udarbejdet ved termisk behandling af NiTi i stedet for en depositionsmetode. Vores tidligere publikationer har vist, at belas…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev udført af alle medforfattere, medarbejdere i Alliance for Sustainable Energy, LLC, leder og operatør af National Renewable Energy Laboratory for det amerikanske energiministerium (DOE) under kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. Finansiering fra den amerikanske DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, og Biosciences, Solar Fotokemi Program.
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 |
Referências
- Li, J., Shan, Z., Ma, E. Elastic strain engineering for unprecedented materials properties. MRS Bulletin. 39, 108-114 (2014).
- Luo, M., Guo, S. Strain-controlled electrocatalysis on multimetallic nanomaterials. Nature Reviews Materials. 2, 17059 (2017).
- Yang, S., Liu, F., Wu, C., Yang, S. Tuning Surface Properties of Low Dimensional Materials via Strain Engineering. Small. 2016, 4028-4047 (2016).
- Clark, E. L., Hahn, C., Jaramillo, T. F., Bell, A. T. Electrochemical CO2 Reduction over Compressively Strained CuAg Surface Alloys with Enhanced Multi-Carbon Oxygenate Selectivity. Journal of the American Chemical Society. 139, 15848-15857 (2017).
- Lu, Z., et al. Electrochemical tuning of layered lithium transition metal oxides for improvement of oxygen evolution reaction. Nature Communications. 5, 4345 (2014).
- Sethuraman, V. A., et al. Role of Elastic Strain on Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction on Pt. The Journal of Physical Chemistry C. 119, 19042-19052 (2015).
- Gu, J., et al. A graded catalytic-protective layer for an efficient and stable water-splitting photocathode. Nature Energy. 2, 16192 (2017).
- Mariano, R. G., McKelvey, K., White, H. S., Kanan, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+increase+in+CO2+electroreduction+activity+at+grain-boundary+surface+terminations.”>Selective increase in CO2 electroreduction activity at grain-boundary surface terminations. Science. 358, 1187-1192 (2017).
- Liu, F., Wu, C., Yang, S. Strain and Ligand Effects on CO2 Reduction Reactions over Cu-Metal Heterostructure Catalysts. The Journal of Physical Chemistry C. 121, 22139-22146 (2017).
- Wang, X., et al. Strain Effect in Bimetallic Electrocatalysts in the Hydrogen Evolution Reaction. ACS Energy Letters. 3, 1198-1204 (2018).
- Deng, Q., Smetanin, M., Weissmüller, J. Mechanical modulation of reaction rates in electrocatalysis. Journal of Catalysis. 309, 351-361 (2014).
- Yang, Y., Kumar, S. Elastic Strain Effects on the Catalytic Response of Pt and Pd Thin Films Deposited on Pd-Zr Metallic Glass. Journal of Materials Research. 32, 2690-2699 (2017).
- Yan, K., et al. The Influence of Elastic Strain on Catalytic Activity in the Hydrogen Evolution Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 55, 6175-6181 (2016).
- Lee, J. H., Jang, W. S., Han, S. W., Baik, H. K. Efficient Hydrogen Evolution by Mechanically Strained MoS2 Nanosheets. Langmuir. 30, 9866-9873 (2014).
- Yang, Y., Adit Maark, T., Peterson, A., Kumar, S. Elastic strain effects on catalysis of a PdCuSi metallic glass thin film. Physical Chemistry Chemical Physics. 17, 1746-1754 (2015).
- Svedruzic, D., Gregg, B. A. Mechano-Electrochemistry and Fuel-Forming Mechano-Electrocatalysis on Spring Electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 19246-19251 (2014).
- Benson, E. E., et al. Dynamic Tuning of a Thin Film Electrocatalyst by Tensile Strain. Scientific Reports. 9, 15906 (2019).
- Wang, A., et al. Tuning the oxygen evolution reaction on a nickel-iron alloy via active straining. Nanoscale. 11, 426-430 (2019).
- Du, M., Cui, L., Cao, Y., Bard, A. J. Mechanoelectrochemical Catalysis of the Effect of Elastic Strain on a Platinum Nanofilm for the ORR Exerted by a Shape Memory Alloy Substrate. Journal of the American Chemical Society. 137, 7397-7403 (2015).
- Wang, H., et al. Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials. Science. 354, 1031-1036 (2016).
- Benson, E. E., et al. Semiconductor-to-Metal Transition in Rutile TiO2 Induced by Tensile Strain. Chemistry of Materials. 29, 2173-2179 (2017).
- Muralidharan, N., et al. Tunable Mechanochemistry of Lithium Battery Electrodes. ACS Nano. 11, 6243-6251 (2017).
- Muralidharan, N., Carter, R., Oakes, L., Cohn, A. P., Pint, C. L. Strain Engineering to Modify the Electrochemistry of Energy Storage Electrodes. Scientific Reports. 6, 27542 (2016).
- Buehler, W. J., Gilfrich, J. V., Wiley, R. C. Effect of Low-Temperature Phase Changes on the Mechanical Properties of Alloys near Composition TiNi. Journal of Applied Physics. 34, 1475-1477 (1963).
- Wang, F. E., Buehler, W. J., Pickart, S. J. Crystal Structure and a Unique “Martensitic” Transition of TiNi. Journal of Applied Physics. 36, 3232-3239 (1965).
- Mavrikakis, M., Hammer, B., Nørskov, J. K. Effect of Strain on the Reactivity of Metal Surfaces. Physical Review Letters. 81, 2819-2822 (1998).
- Hwang, J., et al. Tuning perovskite oxides by strain: Electronic structure, properties, and functions in (electro)catalysis and ferroelectricity. Materials Today. 31, 100-118 (2019).
- Kushima, A., Yip, S., Yildiz, B. Competing strain effects in reactivity of LaCoO3 with oxygen. Physical Review B. 82, 115435 (2010).
- Li, Z., Potapenko, D. V., Osgood, R. M. Controlling Surface Reactions with Nanopatterned Surface Elastic Strain. ACS Nano. 9, 82-87 (2015).
- Petrie, J. R., Jeen, H., Barron, S. C., Meyer, T. L., Lee, H. N. Enhancing Perovskite Electrocatalysis through Strain Tuning of the Oxygen Deficiency. Journal of the American Chemical Society. 138, 7252-7255 (2016).
- Ling, T., et al. Activating cobalt(II) oxide nanorods for efficient electrocatalysis by strain engineering. Nature Communications. 8, 1509 (2017).
- Tavares, C. J., et al. Strain analysis of photocatalytic TiO2 thin films on polymer substrates. Thin Solid Films. 516, 1434-1438 (2008).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (2001).
- Frank, O., et al. Raman spectra of titanium dioxide (anatase, rutile) with identified oxygen isotopes (16, 17, 18). Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 14567-14572 (2012).
- Metikoš-Huković, M., Katić, J., Milošev, I. Kinetics of passivity of NiTi in an acidic solution and the spectroscopic characterization of passive films. Journal of Solid State Electrochemistry. 16, 2503-2513 (2012).
- Reske, R., et al. Controlling Catalytic Selectivities during CO2 Electroreduction on Thin Cu Metal Overlayers. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4, 2410-2413 (2013).
