एक छद्मस्टिक निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु पर स्थिर पतली ऑक्साइड फिल्मों पर गतिशील तनाव लागू करना
Summary
इलेक्ट्रोकैटेलिसिस, विशेष रूप से प्रोटॉन कमी और पानी ऑक्सीकरण पर तनाव के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए टीआईओ2 पतली फिल्मों पर गतिशील, तन्य तनाव लागू किया जाता है। टीओ2 फिल्में छद्म लोचदार निटी एलॉय (नितिनोल) के थर्मल ट्रीटमेंट से तैयार होती हैं।
Abstract
तनाव के माध्यम से भौतिक संरचना/कार्य का प्रत्यक्ष परिवर्तन अनुसंधान का एक बढ़ता हुआ क्षेत्र है जिसने सामग्रियों के उपन्यास गुणों को उभरने की अनुमति दी है । ट्यूनिंग सामग्री संरचना सामग्री पर लगाए गए बाहरी बल को नियंत्रित करके और तनाव-तनाव प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करके प्राप्त की जा सकती है (यानी, गतिशील तनावलागू करना)। इलेक्ट्रोएक्टिव पतली फिल्मों को आम तौर पर आकार या वॉल्यूम ट्यूनेबल इलास्टिक सब्सट्रेट्स पर जमा किया जाता है, जहां मैकेनिकल लोडिंग (यानी, संपीड़न या तनाव) फिल्म संरचना को प्रभावित कर सकती है और लगाए गए तनाव के माध्यम से कार्य कर सकती है। यहां, हम छद्म लोचदार निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु (नितिनोल) के थर्मल उपचार द्वारा तैयार एन-टाइप डॉप्ड टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीओ2)फिल्मों को तनाव देने के तरीकों को संक्षेप में प्रस्तुत करते हैं। वर्णित तरीकों का मुख्य उद्देश्य यह अध्ययन करना है कि तनाव धातु ऑक्साइड, विशेष रूप से हाइड्रोजन विकास और ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रियाओं की इलेक्ट्रोकैटेलाइटिक गतिविधियों को कैसे प्रभावित करता है। एक ही प्रणाली को अधिक मोटे तौर पर तनाव के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है । स्ट्रेन इंजीनियरिंग को सामग्री समारोह के अनुकूलन के साथ-साथ बाहरी तनाव नियंत्रण के तहत समायोज्य, बहुआयामी (फोटो) इलेक्ट्रोकैटेलाइटिक सामग्रियों के डिजाइन के लिए लागू किया जा सकता है।
Introduction
तनाव शुरू करके उत्प्रेरक सामग्रियों की सतह की प्रतिक्रियाशीलता को बदलने की क्षमता को व्यापक रूप से मान्यता दी गई है1,2,3. क्रिस्टलीय सामग्रियों में तनाव के प्रभाव को या तो सामग्री वास्तुकला(स्थिर तनाव)को समायोजित करके या एक चर बाहरी बल (गतिशील तनाव) लागू करके पेश किया जासकता है। क्रिस्टलीय सामग्रियों में, डोपिंग 4, डी-एलॉयिंग5,,6,एनीलिंग7,बेमेल क्रिस्टल जाली 2 या आकार का2कारावास2, 3पर एपिटैक्सियल विकास द्वारा स्थिर तनाव शुरू किया जा सकता है।4, पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्रियों में, क्रिस्टल ट्विनिंग8के कारण अनाज की सीमाओं के भीतर तनाव हो सकता है। सामग्री आर्किटेक्चर के साथ स्थिर तनाव की इष्टतम डिग्री का निर्धारण करने के लिए तनाव के प्रत्येक असतत स्तर के लिए एक नया नमूना डिजाइन करने की आवश्यकता होती है, जो समय लेने वाली और महंगी हो सकती है। इसके अलावा, स्थिर तनाव शुरू करने से अक्सर रासायनिक या लिगांड प्रभाव9,,10का परिचय होता है, जिससे तनाव योगदान को अलग करना मुश्किल हो जाता है। एक बाहरी बल द्वारा ठीक नियंत्रित एक गतिशील तनाव लागू करने के लिए एक सामग्री की संरचना की व्यवस्थित ट्यूनिंग की अनुमति देता है/
इलेक्ट्रोकैटेलिसिस पर गतिशील तनाव के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए, धातु या धातु ऑक्साइड लोचदार आकार या मात्रा ट्यूनेबल सब्सट्रेट्स पर जमा होते हैं, जैसे कार्बनिक पॉलिमर11,,12,,13,,14,,15 या एलॉय16,,17। यांत्रिक, थर्मल या विद्युत लोडिंग के अनुप्रयोगों के परिणामस्वरूप लोचदार सब्सट्रेट के झुकने, संपीड़न, विस्तार या विस्तार होता है, जो जमा उत्प्रेरक सामग्री पर तनाव-तनाव प्रतिक्रिया को और प्रेरित करता है। अब तक, गतिशील तनाव के माध्यम से उत्प्रेरक इंजीनियरिंग का शोषण विभिन्न धातु और अर्धचालक सामग्रियों की इलेक्ट्रोकैटेलाइटिक गतिविधियों को ट्यून करने के लिए किया गया है । उदाहरणों में एमओ2,एयू, पं, नी,,सीयू, डब्ल्यूसी,11, 12,,13,,14,ii) पर हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (एएसईआर) एनआइओएक्स16,निकल-आयरन मिश्र14धातुओं पर ऑक्सीजन रिओस रिएक्शन (ओआरआर) पर पीडी12, ,15,,19,20शामिल हैं ।20 इनमें से अधिकांश रिपोर्टों में, पॉलीमिथाइल मेथाक्रिलेट (पीएमएमए) जैसे कार्बनिक पॉलिमर का उपयोग लोचदार सब्सट्रेट्स के रूप में किया जाता था। हमने पहले तनाव अध्ययन के लिए लोचदार धातु सब्सट्रेट्स के अनुप्रयोग का प्रदर्शन किया, जैसे स्टेनलेस स्टील16 और एक सुपरएलस्टिक/शेप-मेमोरी एनआईटीआई मिश्र धातु (नितिनोल17,,21)। नितिनोल का उपयोग ओआरआर19 के लिए प्लेटिनम फिल्मों के जमाव और ऊर्जा भंडारण22,,23के लिए बैटरी कैथोड सामग्री के जमाव के लिए एक लोचदार सब्सट्रेट के रूप में भी किया गया है । इसके आकार स्मृति और छद्म गुणों के कारण, एनआईटीआई एलॉय क्रमशः मध्यम गर्मी19 या यांत्रिक तनाव17लागू करके विकृत किया जा सकता है। कार्बनिक लोचदार सब्सट्रेट्स के विपरीत, धातु सब्सट्रेट्स को आमतौर पर आसंजन प्रमोटरों के जमाव की आवश्यकता नहीं होती है, अत्यधिक प्रवाहकीय होते हैं और आसानी से कार्यात्मक किया जा सकता है। नितिनोल का उपयोग स्टेनलेस स्टील (एसएस) के लिए अधिक लोचदार विकल्प के रूप में किया जाता है। जबकि एसएस को 0.2% तक तनावपूर्ण रूप से तनावपूर्ण किया जा सकता है, नितिनोल को 7% तक तनावपूर्ण रूप से तनावपूर्ण किया जा सकता है। नितिनोल अपने अद्वितीय गुणों को एक मार्टेंसिटिक सॉलिड स्टेट क्रिस्टल ट्रांसफॉर्मेशन के लिए बकाया है जो24,,25के बड़े लोचदार विकृतियों के लिए अनुमति देता है। दोनों सामग्री व्यावसायिक रूप से विभिन्न ज्यामिति (जैसे, पन्नी, तार और स्प्रिंग्स) में उपलब्ध हैं। जब लोचदार स्प्रिंग्स में आकार दिया जाता है, तो धातु के सब्सट्रेट्स का उपयोग महंगे इंस्ट्रूमेंटेशन की आवश्यकता के बिना इलेक्ट्रोकैटेलिसिस पर गतिशील तनाव के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है16; हालांकि, तनाव-तनाव प्रतिक्रिया को परिभाषित करना अन्य ज्यामिति की तुलना में अधिक चुनौतीपूर्ण है।
संक्रमण धातु उत्प्रेरक के साथ पिछले प्रयोगात्मक अध्ययनों में, तनाव के तहत उत्प्रेरक सतहों की गतिविधियों में परिवर्तन को डी-बैंड सिद्धांत26के रूप में जाना जाता है। इसके विपरीत, धातु ऑक्साइड पर तनाव का प्रभाव काफी अधिक जटिल है, क्योंकि यह बैंडगैप, वाहक गतिशीलता, विसारण और दोषों के वितरण और यहां तक कि प्रत्यक्ष/अप्रत्यक्ष संक्रमण21,27,28, 29,,,,30, 31को प्रभावित कर29,सकता31है। इसके साथ हम एन-टाइप डॉप्ड टीओ2 पतली फिल्मों की तैयारी और लक्षण वर्णन के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं, साथ ही ट्यूनबल, टेंसिनल स्ट्रेन के तहत इन फिल्मों की इलेक्ट्रो उत्प्रेरक गतिविधियों का अध्ययन करने के लिए प्रोटोकॉल भी प्रदान करते हैं। गतिशील तनाव के एक समारोह के रूप में विभिन्न सामग्रियों की इलेक्ट्रोकैटेलाइटिक गतिविधियों का अध्ययन करने के लिए समकक्ष प्रणाली लागू की जा सकती है।
Protocol
Representative Results
Discussion
नितिनोल पतली फिल्मों पर यांत्रिक तनाव लागू करने के लिए एक उपयुक्त लोचदार सब्सट्रेट है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है, अत्यधिक प्रवाहकीय है और आसानी से कार्यात्मक किया जा सकता है। नितिनोल के थर्मल उप?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम सभी सह लेखकों, टिकाऊ ऊर्जा के लिए एलायंस के कर्मचारियों, LLC, प्रबंधक और अमेरिका के ऊर्जा विभाग (डीओई) के लिए राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला के ऑपरेटर द्वारा अनुबंध संख्या के तहत आयोजित किया गया था । DE-AC36-08GO28308। अमेरिकी डीओई, विज्ञान कार्यालय, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान कार्यालय, रासायनिक विज्ञान, भूविज्ञान और जैव विज्ञान, सौर फोटोकेमिस्ट्री कार्यक्रम के प्रभाग द्वारा प्रदान किया गया वित्तपोषण ।
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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