Bruke dynamisk belastning på tynne oksid filmer immobilisert på en Pseudoelastisk nikkel-titan legering
Summary
Dynamisk, strekkbelastning påføres tio2 tynne filmer for å studere effekten av belastning på elektrokatalyse, spesielt protonreduksjon og vannoksidasjon. TiO2 filmer er utarbeidet ved termisk behandling av pseudo-elastisk NiTi legering (Nitinol).
Abstract
Direkte endring av materialstruktur/funksjon gjennom belastning er et voksende forskningsområde som har gjort det mulig for nye egenskaper av materialer å dukke opp. Tuning materiale struktur kan oppnås ved å kontrollere en ekstern kraft pålagt materialer og indusere stress-belastning svar (det vil si å bruke dynamisk belastning). Elektroaktive tynne filmer er vanligvis deponert på form eller volum tunable elastiske underlag, hvor mekanisk lasting (f.eks. kompresjon eller spenning) kan påvirke filmstruktur og funksjon gjennom pålagt belastning. Her oppsummerer vi metoder for å anstrenge n-type dopet titandioksid (TiO2) filmer utarbeidet av en termisk behandling av en pseudo-elastisk nikkel-titanlegering (Nitinol). Hovedformålet med de beskrevne metodene er å studere hvordan belastning påvirker elektrokatalytiske aktiviteter av metalloksid, spesielt hydrogenevolusjon og oksygenutviklingsreaksjoner. Det samme systemet kan tilpasses for å studere effekten av belastning bredere. Strekkteknikk kan brukes til optimalisering av en materialfunksjon, samt for design av justerbare, multifunksjonelle (foto)elektrokatalytiske materialer under ekstern stresskontroll.
Introduction
Evnen til å endre overflaten reaktivitet av katalytiske materialer ved å innføre belastning har blitt allmentanerkjent 1,2,3. Effekter av belastning i krystallinske materialer kan innføres enten ved å justere materialarkitektur (statisk belastning) eller ved å bruke en variabel ekstern kraft (dynamisk belastning). I krystallinske materialer kan statisk belastning innføres ved doping4, de-legering5,6,glødende 7, epitaxial vekst på en mismatched krystall gitter2 eller størrelse innesperring2,3. I polykrystallinske materialer kan belastning oppstå innenfor korngrenser på grunn av krystall twinning8. Å bestemme den optimale graden av statisk belastning med materialarkitekturer krever å designe en ny prøve for hvert diskret nivå av belastning, noe som kan være tidkrevende og dyrt. Videre introduserer innføring av statisk belastning ofte kjemiske eller ligand effekter9,10, noe som gjør det vanskelig å isolere belastningen bidrag. Bruk av en dynamisk belastning nøyaktig kontrollert av en ekstern kraft muliggjør systematisk justering av et materiales struktur / funksjonsforhold for å utforske et dynamisk område over belastningsrommet uten å introdusere andre effekter.
For å studere effekten av dynamisk belastning på elektrokatalyse, avsetter metaller eller metalloksider på elastisk form eller volum tunable underlag, for eksempel organiskepolymerer 11,,12,,13,,14,,15 eller legeringer16,,17. Anvendelser av mekanisk, termisk eller elektrisk belastning resulterer i bøying, kompresjon, forlengelse eller utvidelse av et elastisk substrat, noe som ytterligere induserer en stressbelastningsrespons på det avsatt katalytiske materialet. Så langt har katalysatorteknikk gjennom dynamisk belastning blitt utnyttet til å justere elektrokatalytiske aktiviteter av ulike metalliske og halvledende materialer. Eksempler inkluderer i) hydrogen evolusjonreaksjonen (HER) på MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) oksygen evolusjonsreaksjonen (OER) på NiOx16, nikkel-jernlegeringer18 og iii) oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR) på Pt, Pd12,15,19,20. I de fleste av disse rapportene ble organiske polymerer, som polymetylmetakrylat (PMMA), brukt som elastiske substrater. Vi har tidligere demonstrert anvendelsen av elastiske metalliske substrater, for eksempelrustfritt stål 16 og en superelastisk / form-minne NiTi legering (Nitinol17,21) for belastningsstudier. Nitinol har også blitt brukt som et elastisk substrat for avsetning av platinafilmer for ORR19 og avsetning av batteri katodematerialer for energilagring22,,23. På grunn av sin form minne og pseudoelastiske egenskaper, NiTi legeringer kan deformeres ved å bruke moderatvarme 19 eller mekaniskbelastning 17, henholdsvis. I motsetning til organiske elastiske substrater, krever metall underlag vanligvis ikke avsetning av vedheftsarrangører, er svært ledende og kan enkelt funksjonaliseres. Nitinol brukes som et mer elastisk alternativ til rustfritt stål (SS). Mens SS kan være reversibel anstrengt opp til 0,2%, nitinol kan reversibel anstrengt opp til 7%. Nitinol skylder sine unike egenskaper til en martensitisk solid state krystall transformasjon som tillater store elastiske deformasjoner24,25. Begge materialene er kommersielt tilgjengelige i forskjellige geometrier (f.eks. folier, ledninger og fjærer). Når de formes til elastiske fjærer, kan metallunderstrater brukes til å studere effekter av dynamisk belastning på elektrokatalyse uten behov for dyr instrumentering16; Det er imidlertid mer utfordrende å definere stressbelastningsresponsen enn for andre geometrier.
I tidligere eksperimentelle studier med overgangsmetallkatalysatorer har endringer i aktiviteter av katalytiske overflater under belastning blitt tilskrevet endringer i energien til d orbitals kjent som d-band teori26. I motsetning er effekten av belastning på metalloksider betydelig mer komplekse, da det kan påvirke bandgap, bærermobilitet, diffusjon og distribusjon av defekter og til og med direkte / indirekteoverganger 21,,27,,28,29,30,31. Her gir vi detaljerte protokoller for utarbeidelse og karakterisering av n-type dopet TiO2 tynne filmer, samt protokoller for å studere elektrocatalytiske aktiviteter av disse filmene under tunable, strekkbelastning. Det tilsvarende systemet kan brukes til å studere elektrokatlytiske aktiviteter av forskjellige materialer som en funksjon av dynamisk belastning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol er et egnet elastisk substrat for å bruke mekanisk stress på tynne filmer. Den er kommersielt tilgjengelig, svært ledende og kan enkelt funksjonaliseres. Fremstilling av rutile TiO2 tynne filmer ved termisk behandling av nitinol, resulterer i svært n-type dopet TiO2. Det er viktig å understreke at NiTi/TiO2 er et unikt system der TiO2-filmer er utarbeidet ved termisk behandling av NiTi i stedet for en avsetningsmetode. Våre tidligere publikasjoner har vist at bela…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble utført av alle medforfattere, ansatte i Alliance for Sustainable Energy, LLC, leder og operatør av National Renewable Energy Laboratory for det amerikanske energidepartementet (DOE) under kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. Finansiering levert av US DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, og 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 |
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).
