Применение динамической нагрузки на тонкие оксидные пленки, обездвижено на псевдоеластном никель-титановом сплаве
Summary
Динамический, напряженный штамм наносится на тонкие пленки TiO2 для изучения влияния нагрузки на электрокатализ, в частности, сокращение протонов и окисление воды. Пленки TiO2 готовятся путем термической обработки псевдоэластичного сплава NiTi (Nitinol).
Abstract
Прямое изменение структуры/функции материала через напряжение является растущей областью исследований, которая позволила появиться новым свойствам материалов. Настройка материальной структуры может быть достигнута путем контроля внешней силы, налагаемой на материалы, и индуцирования реакций напряжения и напряжения (т.е. применения динамического напряжения). Электроактивные тонкие пленки, как правило, откладываются на форму или объем настраиваемых эластичных субстратов, где механическая нагрузка (т.е. сжатие или напряжение) может повлиять на структуру пленки и функции через введенный штамм. Здесь мы обобщаем методы напрягания n-типа допинг диоксида титана (TiO2) пленки, подготовленные тепловой обработки псевдо-эластичного никель-титанового сплава (Нитинол). Основной целью описанных методов является изучение того, как штамм влияет на электрокаталитическую деятельность оксида металла, в частности эволюцию водорода и реакции эволюции кислорода. Та же система может быть адаптирована для изучения влияния штамма в более широком смысле. Проектирование штамма может быть применено для оптимизации материальной функции, а также для проектирования регулируемых, многофункциональных (фото) электрокаталитических материалов под внешним контролем стресса.
Introduction
Способность изменять поверхностную реактивность каталитических материалов путем введения штамма широко признана1,,2,,3. Эффекты деформации в кристаллических материалах могут быть введены либо путем корректировки материальной архитектуры(статический штамм),либо путем применения переменной внешней силы(динамического напряжения). В кристаллических материалах, статическое напряжение может бытьвведено путем допинга 4, де-сплав5,6, annealing7, эпитаксис роста на несовпадения кристаллическойрешетки 2 или размерзаключения 2,3. В поликристаллических материалах, штамм может произойти в пределах границ зерна из-за кристаллическогопобратимство 8. Определение оптимальной степени статического напряжения с материальными архитектурами требует разработки нового образца для каждого дискретного уровня напряжения, что может быть трудоемким и дорогостоящим. Кроме того, введение статического штамма часто вводит химическиеили лиганд-эффекты 9,,10,что затрудняет изоляцию вклада штамма. Применение динамического напряжения, точно контролируемого внешней силой, позволяет систематически настраивать отношения структуры/функции материала, с тем чтобы исследовать динамический диапазон над пространством напряжения без введения других эффектов.
Для изучения влияния динамической нагрузки на электрокатализы, металлы или оксиды металла откладываются на эластичную форму или объем настраиваемых субстратов,таких как органические полимеры 11,,12,,13,,14,,15 или сплавы 16,,17. Применение механической, тепловой или электрической нагрузки приводит к изгибу, сжатию, удлинения или расширению эластичного субстрата, что еще больше вызывает стресс-нагрузку на депонированную каталитический материал. До сих пор, катализатор инженерных через динамическое напряжение было использовано для настройки электрокаталитической деятельности различных металлических и полупроводящих материалов. Примеры включают i) реакция эволюции водопода (HER) на MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) реакция эволюции кислорода (OER) на NiOx16, никель-железныесплавы 18 и iii) реакция уменьшения кислорода (ORR) на Pt, Pd12,15,19,20. В большинстве этих докладов органические полимеры, такие как полиметилметакрилат (ПММА), использовались в качестве эластичные субстраты. Ранее мы продемонстрировали применение эластичных металлических субстратов, таких какнержавеющая сталь 16 и суперэластичный/форм-память Сплава NiTi (Nitinol17,21) для исследований деформации. Нитинол также используется в качестве эластичного субстрата для осаждения платиновых пленок для ORR19 и осаждения катодных материалов батареидля хранения энергии 22,23. Благодаря своей памяти формы и псевдоэластичным свойствам, сплавы NiTi могут быть деформированы,применяя умеренное тепло 19 или механическое напряжение 17,соответственно. В отличие от органических эластичные субстраты, металлические субстраты, как правило, не требуют осаждения адгезии промоутеров, являются высокопроводятными и могут быть легко функционализированы. Нитинол используется в качестве более эластичной альтернативы нержавеющей стали (SS). В то время как СС может быть обратимо напряжены до 0,2%, нитинол может быть обратимо напряжен до 7%. Нитинол обязан своими уникальными свойствами мартенстической твердой кристаллической трансформации, которая позволяет для больших упругихдеформаций 24,25. Оба материала коммерчески доступны в различных геометриях (например, фольги, провода и пружины). При форме в эластичные пружины, металлические субстраты могут быть использованы для изучения влияния динамической нагрузки на электрокатализа без необходимости дорогостоящихприборов 16; однако определение реакции на стресс-напряжение является более сложным, чем для других геометрий.
В предыдущих экспериментальных исследованиях с переходными металлическими катализаторами, изменения в деятельности каталитических поверхностей под напряжением были отнесены к изменениям в энергии d орбиты разговорно известный как d-диапазон теории26. В отличие от этого, влияние нагрузки на оксиды металла значительно сложнее, так как это может повлиять на полосу, подвижность носителя, диффузию и распределениедефектов и даже прямые/косвенные переходы 21,,27,,28,,29,,30,,31. В этом мы предоставляем подробные протоколы по подготовке и характеристике n-типа допинг TiO2 тонких пленок, а также протоколы для изучения электрокаталитической деятельности этих пленок под настраиваемым, напряженным напряжением. Эквивалентная система может быть применена для изучения электрокаталитической деятельности различных материалов в качестве функции динамического напряжения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Нитинол является подходящим эластичным субстратом для применения механической нагрузки на тонкие пленки. Он коммерчески доступен, высокопроводящий и может быть легко функционализирован. Подготовка рутила TiO2 тонких пленок путем термической обработки нитинола, приводит к высок?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была проведена всеми соавторами, сотрудниками Альянса за устойчивую энергетику, ООО, менеджером и оператором Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (DOE) по контракту No. DE-AC36-08GO28308. Финансирование осуществляется Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом химических наук, геонаук и бионаук, Программой солнечной фотохимии.
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).
