Applicazione di deformazione dinamica su pellicole di ossido sottile immobilizzate su una lega pseudoelastica nichel-titanio
Summary
La tensione dinamica a trazione viene applicata su pellicole sottili TiO2 per studiare gli effetti della deformazione sull’elettrocatalisi, in particolare la riduzione dei protoni e l’ossidazione dell’acqua. Lepellicole TiO 2 sono preparate mediante trattamento termico della lega niti pseudo-elastica (Nitinol).
Abstract
L’alterazione diretta della struttura/funzione del materiale attraverso lo sforzo è un’area di ricerca in crescita che ha permesso l’emergere di nuove proprietà dei materiali. La regolazione della struttura del materiale può essere ottenuta controllando una forza esterna imposta sui materiali e inducendo risposte sollecitazione-deformazione (cioè applicando tensione dinamica). Le pellicole sottili elettroattive sono tipicamente depositate su substrati elastici tattili di forma o volume, dove il carico meccanico (cioè compressione o tensione) può influenzare la struttura e la funzione del film attraverso la deformazione imposta. Qui riassumiamo i metodi per filtrare pellicole di biossido di titanio drogato di tipo N (TiO2)preparate mediante un trattamento termico di una lega pseudo-elastica nichel-titanio (Nitinol). Lo scopo principale dei metodi descritti è quello di studiare come la deformazione influenzi le attività elettrocatalitiche dell’ossido metallico, in particolare l’evoluzione dell’idrogeno e le reazioni di evoluzione dell’ossigeno. Lo stesso sistema può essere adattato per studiare l’effetto della deformazione in modo più ampio. L’ingegneria della deformazione può essere applicata per l’ottimizzazione di una funzione del materiale, nonché per la progettazione di materiali elettrocatali (foto)elettrocatalitici regolabili e multifunzionali sotto controllo delle sollecitazioni esterne.
Introduction
La capacità di alterare la reattività superficiale dei materiali catalitici introducendo la deformazione è stataampiamente riconosciuta 1,,2,,3. Gli effetti della deformazione nei materiali cristallini possono essere introdotti regolando l’architettura del materiale(deformazione statica)o applicando una forza esterna variabile (deformazione dinamica). Nei materiali cristallini, la deformazione statica può essere introdotta mediante doping4,de-lega5,,6,ricottura7,crescita epitassiale su un reticolo cristallino non corrispondente2 o confinamento di dimensioni2,,3. Nei materiali policristallini, la deformazione può verificarsi all’interno dei confini dei grani a causa del gemellaggio dicristalli 8. Per determinare il grado ottimale di deformazione statica con le architetture dei materiali è necessario progettare un nuovo campione per ogni livello discreto di deformazione, che può richiedere molto tempo e denaro. Inoltre, l’introduzione di ceppo statico introduce spesso effettichimici o ligandi 9,10, rendendo difficile isolare il contributo del ceppo. L’applicazione di una deformazione dinamica controllata con precisione da una forza esterna consente la messa a punto sistematica della relazione struttura/funzione di un materiale al fine di esplorare una gamma dinamica nello spazio di deformazione senza introdurre altri effetti.
Per studiare gli effetti della deformazione dinamica sull’elettrocatalisi, i metalli o gli ossidi metallici si depositano su substrati elastici o volume tonniere, come polimeriorganici 11,,12,,13,,14,,15 o leghe16,,17. Le applicazioni del carico meccanico, termico o elettrico si traducono in flessione, compressione, allungamento o espansione di un substrato elastico, inducendo ulteriormente una risposta stress-deformazione sul materiale catalitico depositato. Finora, l’ingegneria dei catalizzatori attraverso la deformazione dinamica è stata sfruttata per ottimizzare le attività elettrocatalitiche di vari materiali metallici e semiconduttori. Esempi includono i) la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) su MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) su NiOx16,leghenichel-ferro 18 e iii) la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) su Pt, Pd12,,15,,19,20. Nella maggior parte di questi rapporti, i polimeri organici, come il metacrilato di polimetile (PMMA), erano usati come substrati elastici. In precedenza abbiamo dimostrato l’applicazione di substrati metallici elastici, comel’acciaio inossidabile 16 e una lega NiTi superelastica/a memoria di forma (Nitinol17,,21)per studi di deformazione. Il nitinolo è stato utilizzato anche come substrato elastico per la deposizione di pellicole di platino per ORR19 e la deposizione di materiali catodi a batteria per lo stoccaggiodell’energia 22,,23. Grazie alla sua memoria di forma e alle proprietà pseudoelastiche, le leghe NiTi possono essere deformate applicando rispettivamentecalore moderato 19 o deformazione meccanica 17. A differenza dei substrati elastici organici, i substrati metallici in genere non richiedono deposizione di promotori di adesione, sono altamente conduttivi e possono essere facilmente funzionalizzati. Il nitinolo è usato come alternativa più elastica all’acciaio inossidabile (SS). Mentre SS può essere reversibilmente teso fino allo 0,2%, il nitinolo può essere reversibilmente teso fino al 7%. Nitinol deve le sue proprietà uniche a una trasformazione del cristallo a stato solido martensitico che consente grandi deformazionielastiche 24,,25. Entrambi i materiali sono disponibili in commercio in diverse geometrie (ad esempio, fogli, fili e molle). Se modellati in molle elastiche, i substrati metallici possono essere utilizzati per studiare gli effetti della deformazione dinamica sull’elettrocatalisi senza la necessità dicostose strumentazioni 16; tuttavia, definire la risposta sollecitazione-deformazione è più impegnativo che per altre geometrie.
In precedenti studi sperimentali con catalizzatori metallici di transizione, i cambiamenti nelle attività delle superfici catalitiche sotto sforzo sono stati attribuiti ai cambiamenti nell’energia degli orbitali d colloquialmente noti come teoria della banda d26. Al contrario, gli effetti della deformazione sugli ossidi metallici sono significativamente più complessi, in quanto possono effettuare bandgap, mobilità del vettore, diffusione e distribuzione di difetti e persino transizionidirette /indirette 21,,27,,28,,29,,30,,31. Nel presente documento forniamo protocolli dettagliati per la preparazione e la caratterizzazione di pellicole sottili TiO2 drogate di tipo n, nonché protocolli per studiare le attività elettrocatalitiche di queste pellicole sotto tensione di trazione tonnibile. Il sistema equivalente può essere applicato per studiare le attività elettrocatalitiche di diversi materiali in funzione della deformazione dinamica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il nitinolo è un substrato elastico adatto per l’applicazione di sollecitazioni meccaniche su pellicole sottili. È disponibile in commercio, altamente conduttivo e può essere facilmente funzionalizzato. La preparazione di pellicole sottili TiO2 inutili mediante trattamento termico del nitinolo, si traduce in TiO2altamente drogato di tipo n . È importante sottolineare che NiTi/TiO2 è un sistema unico in cui le pellicole TiO2 sono preparate dal trattamento termico di NiTi pi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato condotto da tutti i coautori, dipendenti dell’Alliance for Sustainable Energy, LLC, il manager e operatore del National Renewable Energy Laboratory per il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ai sensi del Contratto n. DE-AC36-08GO28308. Finanziamento fornito dal DOE degli Stati Uniti, Ufficio delle Scienze, Ufficio delle Scienze energetiche di base, Divisione di Scienze Chimiche, Geoscienze e Bioscienze, 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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