擬似弾性ニッケルチタン合金に固定化された薄い酸化膜に動的歪みを適用する

ひずみを導入して触媒材料の表面反応性を変化させる能力が^{広く認識されているが、1、2、3。,2,3}結晶材料における歪みの影響は、材料アーキテクチャ(静的歪み)を調整するか、または可変外力(動的歪み)を適用することによって導入することができる。結晶性材料において、静的株は、ドーピング^4、脱合金^5、6、6ア⁵ニール^7、不一致の結晶格子2またはサイズ閉じ込め^22、33上²のエピタキシャル成長によって導入することができる。多結晶材料では、結晶のツワイニング⁸による粒子境界内でひずみが発生する可能性があります。材料アーキテクチャで最適な静的歪度を決定するには、ひずみの各個別レベルに対して新しいサンプルを設計する必要があり、時間とコストがかかる可能性があります。さらに、静的株を導入すると、化学的またはリガンド効果^が9,1010に及ぶことが多く、ひずみの寄与を単離することが困難になる。外部力によって正確に制御される動的ひずみを適用することで、他の効果を生かさずに歪み空間上のダイナミックレンジを探索するために、材料の構造/機能関係を体系的に調整することができます。

電気触媒に対する動的歪みの影響を研究するために、金属または金属酸化物^,は、有機ポリマー^{,11、12、13、14、15}または合金^{13,14121516、17,17}などの弾性形状または体積調整可能な基質に堆積する。^,機械的、熱的、または電気的負荷のアプリケーションは、弾性基板の曲げ、圧縮、伸びまたは膨張をもたらし、さらに堆積した触媒材料に応力-ひずみ応答を誘導する。これまで、動的歪みを通じた触媒工学は、金属・半導体材料の電気触媒活動を調整するために活用されてきました。^,19,例としては^12,15、MoS_x2、Au、Pt、Ni、Cu、WC₂11、12、13、14、ii)の酸素進化反応(OER)、^,12,13,14ニッケル鉄合金¹¹¹⁸およびiii)の水素進化反応(HER)が含^{18まれる。}これらの報告のほとんどにおいて、ポリメチルメタクリレート(PMMA)のような有機ポリマーは、弾性基材として使用された。我々は、以前、ステンレス鋼¹⁶や超弾性/形状記憶NiTi合金(ニチノール17、21)などの弾性金属基材^17,21の歪み研究への応用を実証した。ニチノールは、ORR^用白金フィルムの蒸着用の弾性基材としても使用されており、エネルギー貯蔵用カソード材料の蒸着は^22,23,23である。その形状記憶および疑似弾性特性のために、NiTi合金は適度な熱¹⁹または機械的ひずみ¹⁷をそれぞれ適用することによって変形することができる。有機弾性基材とは対照的に、金属基材は、典型的には接着促進剤の堆積を必要とせず、高導電性であり、容易に機能させることができる。ニチノールはステンレス鋼(SS)に対してより弾性の代替として使用されます。SSは0.2%まで可逆的に張ることができますが、ニチノールは7%まで可逆的に緊張することができます。ニチノールは、大きな弾性変形^24、25,を可能にするマルテンシティック固体結晶変換にそのユニークな特性を負^っている。両方の材料は、異なる形状(例えば、箔、ワイヤ、ばね)で市販されています。弾性ばねに成形すると、金属基質は高価な計装^を必要とせずに電気触媒に対する動的歪みの影響を研究するために使用することができます。ただし、応力-ひずみ応答を定義することは、他のジオメトリよりも困難です。

遷移金属触媒を用いた以前の実験研究では、歪み下での触媒表面の活動の変化は、口語的にdバンド理論²⁶として知られるd軌道のエネルギーの変化に起因していた。対照的に、金属酸化物に対する歪みの影響は、バンドギャップ、キャリア移動度、欠陥の拡散および分布、さらには直接的/間接的な遷移^{21、27、28、29、30、31,27,28,29}に影響を及ぼす可能性があるので^30、31かなり複雑である。^,ここでは、n型ドープTiO2薄膜の調製および特性評価のための詳細なプロトコルと₂、チューナブルな引張歪の下でこれらのフィルムの電気触媒活動を研究するためのプロトコルを提供する。等価システムは動的ひずみの機能として異なる材料の電気触媒活動を研究するために適用することができる。