Tillämpa dynamisk stam på Thin Oxide Films immobiliserade på en pseudoelastic Nickel-Titanium Alloy
Summary
Dynamisk, dragsträngning appliceras på TiO2 tunna filmer för att studera effekterna av påfrestningar på elektrokatalys, specifikt protonreduktion och vattenoxidation. TiO2 filmer är beredda genom termisk behandling av pseudo-elastiska NiTi legering (Nitinol).
Abstract
Direkt förändring av materialstruktur/funktion genom påfrestningar är ett växande forskningsområde som har gjort det möjligt för nya egenskaper hos material att växa fram. Tuning materialstruktur kan uppnås genom att kontrollera en extern kraft som åläggs material och förmå stress-stam svar (dvs. tillämpa dynamisk stam). Elektroaktiva tunna filmer är typiskt deponeras på form eller volym avstämbara elastiska substrat, där mekanisk lastning (dvs. kompression eller spänning) kan påverka filmstruktur och funktion genom påtvingade stam. Här sammanfattar vi metoder för att anstränga n-typ dopade titandioxid (TiO2) filmer som utarbetats av en termisk behandling av en pseudo-elastisk nickel-titanlegering (Nitinol). Huvudsyftet med de beskrivna metoderna är att studera hur stam påverkar elektrokatalytiska aktiviteter av metalloxid, specifikt väteevolution och syreevolutionsreaktioner. Samma system kan anpassas för att studera effekten av stam mer allmänt. Sila engineering kan tillämpas för optimering av en materialfunktion, samt för design av justerbara, multifunktionella (foto)elektrokatalytiska material under extern stresskontroll.
Introduction
Förmågan att förändra ytreaktiviteten hos katalytiska material genom att införa stam har fått storkänslighet 1,2,3. Effekter av stam i kristallina material kan införas antingen genom att justera materialarkitektur (statisk stam) eller genom att tillämpa en variabel yttre kraft (dynamisk stam). I kristallina material, statisk stam kan införas genom dopning4, avlegering5,6, glödgning7, epitaxial tillväxt på en felmatchad kristall galler2 eller storlek inneslutning2,3. I polykristallina material kan stam uppstå inom korngränser på grund av kristall vänortssamarbete8. Att bestämma den optimala graden av statisk stam med materialarkitekturer kräver att man utformar ett nytt prov för varje diskret nivå av stam, vilket kan vara tidskrävande och dyrt. Vidare införs statisk stam ofta kemiska eller ligand effekter9,10, vilket gör det svårt att isolera stammen bidrag. Att tillämpa en dynamisk stam som styrs exakt av en yttre kraft möjliggör systematisk stämning av ett materials struktur/funktionsrelation för att utforska ett dynamiskt omfång över töjningsutrymmet utan att andra effekter införs.
För att studera effekterna av dynamisk stam på elektrokatalys, metaller eller metalloxider deponeras på elastisk form eller volym avstämbara substrat, såsom organiska polymerer11,12,13,14,15 eller legeringar16,17. Tillämpningar av mekanisk, termisk eller elektrisk lastning resulterar i böjning, kompression, töjning eller expansion av ett elastiskt substrat, vilket ytterligare framkallar en stress-töjningsrespons på det deponerade katalytiska materialet. Hittills har katalysatorteknik genom dynamisk stam utnyttjats för att ställa in elektrokatalytiska aktiviteter av olika metalliska och halvledande material. Exempel är i) väteevolutionsreaktionen (HER) på MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) syreevolutionsreaktionen (OER) på NiOx16, nickel-järnlegeringar18 och iii) syrereduktionsreaktionen (ORR) på Pt, Pd12,15,19,20. I de flesta av dessa rapporter användes organiska polymerer, såsom polymetylmetakrylat (PMMA), som elastiska substrat. Vi har tidigare visat tillämpningen av elastiska metalliska substrat, såsomrostfritt stål 16 och en superelastisk/form-minne NiTi legering (Nitinol17,21) för stam studier. Nitinol har också använts som ett elastiskt substrat för deposition av platinafilmer för ORR19 och deponering av batterikatodmaterial för energilagring22,23. På grund av sin form minne och pseudoelastic egenskaper, NiTi legeringar kan deformeras genom att tillämpa måttlig värme19 eller mekaniskstam 17, respektive. I motsats till organiska elastiska substrat, metalliska substrat kräver vanligtvis inte nedfall av vidhäftningspromotorer, är mycket ledande och kan lätt vara funktionaliserad. Nitinol används som ett mer elastiskt alternativ till rostfritt stål (SS). Medan SS kan vändas ansträngt upp till 0,2%, kan nitinol vara reversibelt ansträngd upp till 7%. Nitinol är skyldig sina unika egenskaper till en martensitic solid state crystal transformation som möjliggör stora elastiska deformationer24,25. Båda materialen finns kommersiellt tillgängliga i olika geometrier (t.ex. folier, trådar och fjädrar). När de formas till elastiska fjädrar kan metalliska substrat användas för att studera effekter av dynamisk påfrestning på elektrokatalys utan behov av dyr instrumentering16; att definiera stress-stam-svaret är dock mer utmanande än för andra geometrier.
I tidigare experimentella studier med övergång metall katalysatorer, förändringar i aktiviteter av katalytiska ytor under stam har tillskrivits förändringar i energetiska d orbitals vardagligt kallas d-band teori26. Däremot är effekterna av stam på metalloxider betydligt mer komplex, eftersom det kan effekt bandgap, bärare rörlighet, diffusion och fördelning av defekter och även direkt / indirekta övergångar21,27,28,29,30,31. Häri ger vi detaljerade protokoll för beredning och karakterisering av n-typ dopade TiO2 tunna filmer, samt protokoll för att studera elektrokatalytisk verksamhet av dessa filmer under avstämbara, dragsila stam. Det likvärdiga systemet kan appliceras för att studera elektrokatalytiska aktiviteter av olika material som en funktion av dynamisk stam.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol är ett lämpligt elastiskt substrat för applicering av mekanisk påfrestning på tunna filmer. Den är kommersiellt tillgänglig, mycket ledande och kan lätt funktionaliseras. Beredning av rutil TiO2 tunna filmer genom termisk behandling av nitinol, resulterar i mycket n-typ dopade TiO2. Det är viktigt att betona att NiTi/TiO2 är ett unikt system där TiO2 filmer är beredda genom termisk behandling av NiTi snarare än en depositionsmetod. Våra tidigare publikatio…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete utfördes av alla medförfattare, anställda i Alliansen för hållbar energi, LLC, chef och operatör av National Renewable Energy Laboratory för US Department of Energy (DOE) enligt kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. Finansiering från US DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Avdelningen för kemiska vetenskaper, geovetenskaper och biovetenskaper, 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).
