Anwendung dynamischer Dehnung auf Dünnoxidfolien immobilisiert auf einer pseudoelastischen Nickel-Titan-Legierung
Summary
Dynamische, Zugdehnung wird auf TiO2 Dünnschichten angewendet, um die Auswirkungen der Belastung auf die Elektrokatalyse zu untersuchen, insbesondere auf die Protonenreduktion und Wasseroxidation. TiO2-Folien werden durch thermische Behandlung der pseudoelastischen NiTi-Legierung (Nitinol) hergestellt.
Abstract
Die direkte Veränderung der Materialstruktur/-funktion durch Dehnung ist ein wachsendes Forschungsgebiet, das es ermöglicht hat, dass neuartige Eigenschaften von Materialien entstehen. Die Optimierung der Materialstruktur kann erreicht werden, indem eine externe Kraft gesteuert wird, die den Materialien auferlegt wird, und Spannungs-Dehnungsreaktionen induzieren (d. h. dynamische Dehnung)anzurechnen. Elektroaktive Dünnschichten werden in der Regel auf form- oder volumenabstimmbaren elastischen Substraten abgelagert, wo mechanische Belastung (d. h. Kompression oder Spannung) die Filmstruktur und -funktion durch auferlegte Dehnung beeinflussen kann. Hier fassen wir Methoden zur Belastung von n-Typ dotierten Titandioxid (TiO2) Folien zusammen, die durch eine thermische Behandlung einer pseudoelastischen Nickel-Titan-Legierung (Nitinol) hergestellt werden. Der Hauptzweck der beschriebenen Methoden besteht darin, zu untersuchen, wie sich Die Dehnung auf die elektrokatalytischen Aktivitäten von Metalloxid auswirkt, insbesondere auf die Wasserstoffentwicklung und die Sauerstoffentwicklungsreaktionen. Das gleiche System kann angepasst werden, um die Wirkung der Belastung breiter zu untersuchen. Dehnungstechnik kann zur Optimierung einer Materialfunktion sowie zur Gestaltung einstellbarer, multifunktionaler (Foto-)elektrokatalytischer Materialien unter externer Spannungskontrolle eingesetzt werden.
Introduction
Die Fähigkeit, die Oberflächenreaktivität von katalytischen Materialien durch die Einführung von Stamm zu verändern, wurde weithin anerkannt1,2,3. Auswirkungen der Dehnung in kristallinen Materialien können entweder durch Anpassen der Materialarchitektur (statische Dehnung) oder durch Anwendung einer variablen externen Kraft (dynamische Dehnung) eingeführt werden. In kristallinen Materialien kann statische Dehnung durch Doping eingeführt werden4, De-Legierung5,6, glühen7, epitaxiales Wachstum auf einem nicht übereinstimmenden Kristallgitter2 oder Größe Einschließung2,3. In polykristallinen Materialien kann eine Dehnung innerhalb von Korngrenzen aufgrund von Kristallpartnerschaften auftreten8. Um den optimalen Grad der statischen Dehnung mit Materialarchitekturen zu bestimmen, muss für jede diskrete Dehnungsmenge eine neue Probe entworfen werden, die zeitaufwändig und teuer sein kann. Darüber hinaus führt die Einführung statischer Dehnungen häufig chemische oder Ligandeneffekte9,10ein, was es schwierig macht, den Dehnungsbeitrag zu isolieren. Die Anwendung einer dynamischen Dehnung, die präzise durch eine externe Kraft gesteuert wird, ermöglicht eine systematische Abstimmung der Struktur-/Funktionsbeziehung eines Materials, um einen Dynamischenbereich über den Dehnungsraum zu erforschen, ohne andere Effekte einzuführen.
Um die Auswirkungen der dynamischen Belastung auf die Elektrokatalyse zu untersuchen, werden Metalle oder Metalloxide auf elastische Nähgut oder Volumen-tunable Substrate, wie organische Polymere11,12,13,,14,15 oder Legierungen16,17abgelagert. Anwendungen der mechanischen, thermischen oder elektrischen Belastung führen zum Biegen, Verpressen, Dehnen oder Ausdehnung eines elastischen Substrats, was zu einer Spannungs-Belastungsreaktion auf das abgelagerte katalytische Material führt. Bisher wurde die Katalysatortechnik durch dynamische Dehnung genutzt, um elektrokatalytische Aktivitäten verschiedener metallischer und halbleitender Materialien zu optimieren. Beispiele sind i) die Wasserstoff-Evolutionsreaktion (HER) auf MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) auf NiOx16, Nickel-Eisen-Legierungen18 und iii) die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) auf Pt, Pd12,15,19,20. In den meisten dieser Berichte wurden organische Polymere, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), als elastische Substrate verwendet. Zuvor haben wir die Anwendung von elastischen metallischen Substraten wie Edelstahl16 und einer superelastischen/form-memory NiTi-Legierung (Nitinol17,21) für Dehnungsstudien demonstriert. Nitinol wurde auch als elastisches Substrat für die Abscheidung von Platinfolien für ORR19 und die Abscheidung von Batteriekathodenmaterialien für die Energiespeicherung22,23verwendet. Aufgrund seines Formgedächtnisses und seiner pseudoelastischen Eigenschaften können NiTi-Legierungen durch Auftragen von mäßiger Hitze19 bzw. mechanischer Dehnung17verformt werden. Im Gegensatz zu organischen elastischen Substraten erfordern metallische Substrate in der Regel keine Ablagerung von Haftvermittlern, sind hochleitfähig und können leicht funktionalisiert werden. Nitinol wird als elastischere Alternative zu Edelstahl (SS) verwendet. Während SS bis zu 0,2% reversibel belastet werden kann, kann Nitinol bis zu 7% reversibel belastet werden. Nitinol verdankt seine einzigartigen Eigenschaften einer martensitischen Festkörperkristalltransformation, die große elastische Verformungenermöglicht 24,25. Beide Materialien sind in verschiedenen Geometrien (z.B. Folien, Drähte und Federn) im Handel erhältlich. Bei Der Form in elastische Nionen können metallische Substrate verwendet werden, um Die Auswirkungen dynamischer Belastung auf die Elektrokatalyse zu untersuchen, ohne dass teure Instrumente erforderlich sind16; Die Definition der Spannungs-Dehnungs-Reaktion ist jedoch schwieriger als bei anderen Geometrien.
In früheren experimentellen Studien mit Übergangsmetallkatalysatoren wurden Veränderungen in der Aktivität katalytischer Oberflächen unter Dehnung auf Veränderungen in der Energetik der d-Orbitale, umgangssprachlich als d-Band-Theoriebekannt, 26zurückgeführt. Im Gegensatz dazu sind die Auswirkungen der Belastung auf Metalloxide deutlich komplexer, da sie Bandgap, Trägermobilität, Diffusion und Verteilung von Defekten und sogar direkte/indirekte Übergänge21,27,28,29,30,31. Hierin bieten wir detaillierte Protokolle für die Vorbereitung und Charakterisierung von n-Typ dotierten TiO2-Dünnschichten sowie Protokolle zur Untersuchung der elektrokatalytischen Aktivitäten dieser Filme unter abstimmbarer Zugdehnung. Das äquivalente System kann angewendet werden, um elektrokatalytische Aktivitäten verschiedener Materialien in Abhängigkeit von dynamischer Dehnung zu untersuchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol ist ein geeignetes elastisches Substrat für die Anwendung mechanischer Beanspruchung auf dünne Folien. Es ist kommerziell erhältlich, hochleitfähig und lässt sich leicht funktionalisieren. Herstellung von rutilem TiO2 Dünnschichten durch thermische Behandlung von Nitinol, führt zu hoch n-Typ dotierten TiO2. Es ist wichtig zu betonen, dass NiTi/TiO2 ein einzigartiges System ist, bei dem TiO2-Folien durch thermische Behandlung von NiTi und nicht durch eine Abscheid…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von allen Co-Autoren, Mitarbeitern der Alliance for Sustainable Energy, LLC, dem Manager und Betreiber des National Renewable Energy Laboratory für das U.S. Department of Energy (DOE) unter Vertrag Nr. DE-AC36-08GO28308. Finanzierung durch das U.S. DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences, Solar Photochemistry 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 |
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