Application d’une contrainte dynamique sur les films à oxyde mince immobilisés sur un alliage pseudoélastique nickel-titane
Summary
Une souche dynamique et tendue est appliquée sur les couches minces TiO2 pour étudier les effets de la souche sur l’électrocatalyse, en particulier la réduction des protons et l’oxydation de l’eau. TiO2 films sont préparés par le traitement thermique de l’alliage pseudo-élastique NiTi (Nitinol).
Abstract
L’altération directe de la structure/fonction des matériaux par la contrainte est un domaine de recherche croissant qui a permis l’émergence de nouvelles propriétés des matériaux. L’accordage de la structure des matériaux peut être atteint en contrôlant une force externe imposée aux matériaux et en induisant des réactions stress-contrainte (c.-à-d. l’application d’une contrainte dynamique). Les couches minces électroactives sont généralement déposées sur des substrats élastiques de forme ou de volume tunable, où la charge mécanique (c.-à-d. compression ou tension) peut affecter la structure et la fonction du film par la contrainte imposée. Ici, nous résumons les méthodes de tension du dioxyde de titane dopé de type n (TiO2)films préparés par un traitement thermique d’un alliage nickel-titane pseudo-élastique (Nitinol). Le but principal des méthodes décrites est d’étudier comment la souche affecte les activités électrocatalytiques de l’oxyde métallique, en particulier l’évolution de l’hydrogène et les réactions d’évolution de l’oxygène. Le même système peut être adapté pour étudier plus largement l’effet de la souche. L’ingénierie des souches peut être appliquée pour l’optimisation d’une fonction matérielle, ainsi que pour la conception de matériaux électrocatalytiques réglables et multifonctionnels (photo) sous contrôle externe du stress.
Introduction
La capacité de modifier la réactivité de surface des matériaux catalytiques en introduisant la souche a étélargement reconnue 1,2,3. Les effets de la contrainte dans les matériaux cristallins peuvent être introduits soit en ajustant l’architecture matérielle(contraintestatique) soit en appliquant une force externe variable(souche dynamique). Dans les matériaux cristallins, la souche statique peut être introduite pardopage 4, dés alliage5,6, annealing7, croissance épitaxiale sur un treillis de cristaldépareillé 2 ou la taille confinement2,3. Dans les matériaux polycrystallins, la souche peut se produire à l’intérieur des limites du grain en raison du jumelageen cristal 8. Pour déterminer le degré optimal de tension statique avec les architectures matérielles, il faut concevoir un nouvel échantillon pour chaque niveau discret de contrainte, ce qui peut prendre beaucoup de temps et coûter cher. En outre, l’introduction de la souche statique introduit souvent des effets chimiques ou ligand9,10, ce qui rend difficile d’isoler la contribution de la souche. L’application d’une souche dynamique contrôlée avec précision par une force externe permet un réglage systématique de la relation structure/fonction d’un matériau afin d’explorer une plage dynamique au-dessus de l’espace de contrainte sans introduire d’autres effets.
Pour étudier les effets de la souche dynamique sur l’électrocatalyse, les métaux ou les oxydes métalliques sont déposés sur des substrats de thon de forme élastique ou de volume, tels que les polymèresorganiques 11,,12,13,14,15 ou les alliages16,17. Les applications de charge mécanique, thermique ou électrique se traduit par la flexion, la compression, l’allongement ou l’expansion d’un substrat élastique, induisant ainsi une réponse de contrainte-contrainte sur le matériau catalytique déposé. Jusqu’à présent, l’ingénierie des catalyseurs par contrainte dynamique a été exploitée pour accorder les activités électrocatalytiques de divers matériaux métalliques et semi-supraducteurs. Par exemple, i) la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) sur MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) sur NiOx16, alliages nickel-fer18 et iii) la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) sur Pt,12,15,19,20. Dans la plupart de ces rapports, les polymères organiques, tels que le méthacrylate polyméthyle (PMMA), ont été utilisés comme substrats élastiques. Nous avons précédemment démontré l’application de substrats métalliques élastiques, tels quel’acier inoxydable 16 et un alliage NiTi superélastique/mémoire de forme (Nitinol17,21) pour des études de souche. Nitinol a également été utilisé comme substrat élastique pour le dépôt de films en platine pour ORR19 et le dépôt de matériaux cathodiques de batterie pour le stockage del’énergie 22,23. En raison de sa mémoire de forme et de ses propriétés pseudoélastiques, les alliages NiTi peuvent être déformés en appliquant une chaleurmodérée 19 ou une souchemécanique 17,respectivement. Contrairement aux substrats élastiques organiques, les substrats métalliques ne nécessitent généralement pas de dépôt de promoteurs d’adhérence, sont très conductrices et peuvent facilement être fonctionnalisés. Nitinol est utilisé comme une alternative plus élastique à l’acier inoxydable (SS). Alors que le SS peut être réversiblement tendu jusqu’à 0,2%, nitinol peut être réversiblement tendu jusqu’à 7%. Nitinol doit ses propriétés uniques à une transformation en cristal à l’état solide martensitique qui permet de grandes déformations élastiques24,25. Les deux matériaux sont disponibles dans le commerce dans des géométries différentes (p. ex., feuilles, fils et ressorts). Lorsqu’ils sont formés en ressorts élastiques, les substrats métalliques peuvent être utilisés pour étudier les effets de la tension dynamique sur l’électrocatalyse sans avoir besoin d’instrumentationcoûteuse 16; toutefois, la définition de la réponse stress-souche est plus difficile que pour d’autres géométries.
Dans des études expérimentales précédentes avec des catalyseurs métalliques de transition, les changements dans les activités des surfaces catalytiques sous tension ont été attribués à des changements dans l’énergie des orbitales d familièrement connues sous le nom de théorie de la bande D26. En revanche, les effets de la contrainte sur les oxydes métalliques sont beaucoup plus complexes, car ils peuvent avoir des effets sur la bandgap, la mobilité des transporteurs, la diffusion et la distribution des défauts et même les transitions directes/indirectes21,27,28,29,30,31. Nous fournissons ci-dessous des protocoles détaillés pour la préparation et la caractérisation de n-type dopé TiO2 films minces, ainsi que des protocoles pour étudier les activités électrocatalytiques de ces films sous tunable, souche tensile. Le système équivalent peut être appliqué pour étudier les activités électrocatalytiques de différents matériaux en fonction de la tension dynamique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol est un substrat élastique approprié pour appliquer un stress mécanique sur les couches minces. Il est disponible dans le commerce, très conductrice et peut être facilement fonctionnalisé. La préparation de rutile TiO2 films minces par traitement thermique du nitinol, a comme résultat le TiO2dopé très n-type. Il est important de souligner que NiTi/TiO2 est un système unique où les films TiO2 sont préparés par traitement thermique de NiTi plutôt qu’une m?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été mené par tous les coauteurs, employés de l’Alliance for Sustainable Energy, LLC, le gestionnaire et l’exploitant du National Renewable Energy Laboratory pour le Département de l’énergie des États-Unis (DOE) en vertu du contrat no. DE-AC36-08GO28308. Financement fourni par le DOE des États-Unis, l’Office of Science, l’Office of Basic Energy Sciences, la Division des sciences chimiques, des géosciences et des biosciences, programme de photochimie solaire.
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).
