החלת זן דינמי על סרטי תחמוצת דק משותק על סגסוגת ניקל-טיטניום פסאודואלסטית
Summary
דינאמי, מאמץ מוחל על TiO2 סרטים דקים כדי ללמוד את ההשפעות של מתח על אלקטרוקטליזה, במיוחד הפחתת פרוטון וחמצון מים. סרטי TiO2 מוכנים על ידי טיפול תרמי של סגסוגת NiTi פסאודו-אלסטית (Nitinol).
Abstract
שינוי ישיר של מבנה חומר / פונקציה באמצעות זן הוא תחום הולך וגדל של מחקר שאיפשר תכונות חדשניות של חומרים להגיח. ניתן להשיג מבנה חומר כוונון על ידי שליטה בכוח חיצוני שנכפה על חומרים וגורם לתגובות מתח-מתח (כלומר, החלת מתח דינמי). סרטים דקים אלקטרואקטיביים מופקדים בדרך כלל על מצעים אלסטיים צורה או נפח tunable, שבו טעינה מכנית (כלומר, דחיסה או מתח) יכול להשפיע על מבנה הסרט ותפקוד באמצעות מתח שנכפה. כאן, אנו מסכמים שיטות עבור מאמץ n-סוג טיטניום דו חמצני (TiO2)סרטים שהוכנו על ידי טיפול תרמי של פסאודו אלסטי ניקל טיטניום סגסוגת (Nitinol). המטרה העיקרית של השיטות המתוארות היא ללמוד כיצד זן משפיע על פעילויות אלקטרוקטליטיות של תחמוצת מתכת, במיוחד אבולוציית מימן ותגובות אבולוציה חמצן. אותה מערכת יכולה להיות מותאמת כדי ללמוד את ההשפעה של מתח באופן רחב יותר. ניתן ליישם הנדסת מאמץ לאופטימיזציה של פונקציית חומר, כמו גם לעיצוב חומרים אלקטרו-קטלאטיים מתכווננים ורב תכליתיים (צילום) תחת בקרת מתחים חיצוניים.
Introduction
היכולת לשנות את תגובתיות פני השטח של חומרים קתליטיים על ידי הצגתזן כבר מוכר נרחב 1,,2,,3. ניתן להציג את השפעות המתח בחומרים גבישיים על ידי התאמת ארכיטקטורת חומרים(זןסטטי) או על ידי החלת כוח חיצוני משתנה(מתח דינמי). בחומרים גבישיים, ניתן להציגזןסטטי על ידי סימום 4 , de-alloying5,6, annealing7, צמיחה epitaxial על סריג קריסטל לאתואם 2 או גודלכליאה 2,,3. בחומרים polycrystalline, זן יכול להתרחש בתוך גבולות תבואה בשל twinning גביש8. קביעת הדרגה האופטימלית של זן סטטי עם ארכיטקטורות חומרים מחייבת עיצוב מדגם חדש עבור כל רמה דיסקרטית של מתח, אשר יכול להיות זמן רב ויקר. יתר על כן, הצגת זן סטטי לעתים קרובות מציגאפקטים כימייםאוליגנד 9,10 , מה שמקשה לבודד את התרומה המתח. החלת זן דינמי הנשלט במדויק על ידי כוח חיצוני מאפשרת כוונון שיטתי של קשרי מבנה/פונקציה של חומר על מנת לחקור טווח דינמי על פני מרחב המתח מבלי להציג אפקטים אחרים.
כדי ללמוד את ההשפעות של זן דינמי על אלקטרוקטליזה, מתכות או תחמוצות מתכת מופקדים על צורה אלסטית או מצעים tunable נפח, כגון פולימריםאורגניים 11,12,13,14,15 אוסגסוגות 16,17. יישומים של מטען מכני, תרמי או חשמלי תוצאות כיפוף, דחיסה, התאריך או הרחבה של שקע אלסטי, עוד יותר גורם לתגובה מתח-מתח על החומר קתליטי שהופקד. עד כה, הנדסת זרז באמצעות זן דינמי נוצלה כדי לכוונן פעילויות אלקטרוקטליטיות של חומרים מתכתיים שונים מוליכים למחצה. דוגמאות כוללות i) את תגובת האבולוציה מימן (HER) על MoS2,Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) תגובת האבולוציה חמצן (OER) על NiOx16, סגסוגות ניקל ברזל18 ו- iii) תגובת הפחתת החמצן (ORR) על Pt, PD12,15,19,20. ברוב הדיווחים האלה, פולימרים אורגניים, כגון פולימתיל methacrylate (PMMA), שימשו מצעים אלסטיים. הוכחנו בעבר את היישום של מצעים מתכתיים אלסטיים, כגוןנירוסטה 16 וסגסוגת NiTi superelastic/ זיכרון צורה (Nitinol17,,21)עבור מחקרי מאמץ. ניטינול שימש גם כעיר אלסטי לתצהיר של סרטי פלטינה עבור ORR19 ותצהיר של חומרים קתודה סוללהלאחסון אנרגיה 22,23. בשל זיכרון הצורה שלה ומאפיינים פסאודואלסטיים, סגסוגות NiTi ניתן מעוות על ידי החלתחום מתון 19 אוזן מכני 17, בהתאמה. בניגוד לשקעים אלסטיים אורגניים, מצעים מתכתיים בדרך כלל אינם דורשים תצהיר של מקדמי הדבקה, הם מוליך מאוד, ניתן בקלות לתפקד. ניטינול משמש כחלופה אלסטית יותר נירוסטה (SS). בעוד SS יכול להיות מתוח באופן הפיך עד 0.2%, nitinol יכול להיות מתוח באופן הפיך עד 7%. Nitinol חייב את המאפיינים הייחודיים שלה טרנספורמציה גביש מצב מוצק מרטני המאפשר עיוותים אלסטיים גדולים24,25. שני החומרים זמינים מסחרית בגיאומטריות שונות (לדוגמה, רדידות כסף, חוטים ומעיינות). כאשר הם מעוצבים למעיינות אלסטיים, מצעים מתכתיים יכולים לשמש כדי ללמוד השפעות של עומס דינמי על אלקטרוקטליזה ללא צורך מכשוריקר 16; עם זאת, הגדרת התגובה מתח-מתח הוא מאתגר יותר מאשר עבור גיאומטריות אחרות.
במחקרים ניסיוניים קודמים עם זרזים מתכת מעבר, שינויים בפעילויות של משטחים קטליטיים תחת מתח יוחסו לשינויים באנרגיות של מסלולי d הידועים באופן דיבורי בשם D-bandתורת 26. לעומת זאת, ההשפעות של עומס על תחמוצות מתכת הוא מורכב יותר באופן משמעותי, כפי שהוא יכול להשפיע bandgap, ניידות המוביל, דיפוזיה והפצה של פגמים ואפילו ישיר /מעברים עקיפים 21,,27,28,29,30,31. בזאת אנו מספקים פרוטוקולים מפורטים להכנה ואפיון של N-סוג מסומם TiO2 סרטים דקים, כמו גם פרוטוקולים ללמוד פעילויות אלקטרוקטליטיות של סרטים אלה תחת טון, מתיחה. המערכת המקבילה ניתן להחיל ללמוד פעילויות אלקטרוקטליטיות של חומרים שונים כפונקציה של זן דינמי.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol הוא מצע אלסטי מתאים ליישום מתח מכני על סרטים דקים. הוא זמין מסחרית, מוליך מאוד ותו לא תפקד בקלות. הכנת רוטיל TiO2 סרטים דקים על ידי טיפול תרמי של nitinol, תוצאות מאוד n-סוג מסומם TiO2. חשוב להדגיש כי NiTi/TiO2 היא מערכת ייחודית שבה סרטי TiO2 מוכנים על ידי טיפול תרמי של NiTi ולא שיטת…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נערכה על ידי כל המחברים השותפים, עובדי הברית לאנרגיה בת קיימא, LLC, המנהל והמפעיל של המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת עבור ארה”ב. משרד האנרגיה (DOE) תחת חוזה לא. דה-AC36-08GO28308. מימון המסופק על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, משרד המדע, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסית, החטיבה למדעי הכימיה, מדעי הגיאוגרפיה, ומדעי הביולוגיה, תוכנית פוטוכימיה סולארית.
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).
