가성탄성 니켈-티타늄 합금에 고정된 얇은 산화물 필름에 동적 변형 적용
Summary
동적 인장 균주는 TiO2 박막에 적용되어 전기 촉매, 특히 양성자 감소 및 수질 산화에 대한 균주의 효과를 연구합니다. TiO2 필름은 의사 탄성 NiTi 합금 (니티놀)의 열 처리에 의해 제조된다.
Abstract
변형을 통한 재료 구조/기능의 직접적인 변화는 재료의 새로운 특성이 나타날 수 있도록 하는 연구의 성장 영역입니다. 튜닝 재료 구조는 재료에 부과된 외부 힘을 제어하고 응력-변형 반응(즉, 동적 스트레인적용)을 유도함으로써 달성될 수 있다. 전기 활성 박막은 일반적으로 기계적 적재(예: 압축 또는 장력)가 부과된 변형을 통해 필름 구조및 기능에 영향을 줄 수 있는 모양 또는 부피 튜닝탄탄기판에 증착됩니다. 여기서, 우리는 의사 탄성 니켈 티타늄 합금 (Nitinol)의 열 처리에 의해 제조 된 n 형 도핑 이산화티타늄 (TiO2)필름을 긴장시키는 방법을 요약합니다. 기술된 방법의 주요 목적은 균주가 금속 산화물의 전기 촉매 활동, 특히 수소 진화 및 산소 진화 반응에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 것입니다. 동일한 시스템은 변형의 효과를 보다 광범위하게 연구하도록 조정할 수 있습니다. 스트레인 엔지니어링은 재료 기능의 최적화뿐만 아니라 외부 응력 제어 하에 조정 가능한 다기능(photo) 전기촉매 재료설계를 위해 적용할 수 있습니다.
Introduction
스트레인을 도입하여 촉매 물질의 표면 반응성을 변경하는 능력은1,,2,,3로널리 인식되고 있다. 결정재료의 변형효과는 재료 아키텍처(정적 변형)를 조정하거나 가변 외부력(동적스트레인)을적용하여 도입될 수 있다.dynamic strain 결정재료에서, 정적 균주는 도핑4,탈합금5,6,6어닐링7,상피연 성장에 의해 도입될 수 있다2 또는 크기 감금2,,3. 다결정 재료에서, 변형은 결정 트위닝8로인해 곡물 경계 내에서 발생할 수 있습니다. 재료 아키텍처를 사용하여 정적 스트레인의 최적 정도를 파악하려면 각 이산 변형 수준에 대해 새 샘플을 설계해야 하며, 이는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들 수 있습니다. 더욱이, 정적 균주를 도입하는 것은 종종 화학적 또는 리간드 효과를도입하여 9,,10으로변형 기여도를 분리하기가 어렵다. 외부 힘에 의해 정밀하게 제어되는 동적 스트레인을 적용하면 다른 효과를 도입하지 않고 스트레인 공간 보다 동적 범위를 탐색하기 위해 재료의 구조/기능 관계를 체계적으로 조정할 수 있습니다.
전기 촉매에 대한 동적 변형의 효과를 연구하기 위해 금속 또는 금속 산화물은 유기 폴리머11,,12, 13,,,,14,15 또는 합금1316,,17과같은 탄성 모양 또는 부피 튜닝 성 기판에 증착된다. 기계적, 열 또는 전기 적재를 적용하면 탄성 기판의 굽힘, 압축, 연신 또는 팽창이 발생하므로 증착 된 촉매 재료에 대한 응력 변형 반응을 더욱 유도합니다. 지금까지, 동적 변형을 통해 촉매 엔지니어링은 다양한 금속 및 반전도 재료의 전기 촉매 활동을 조정하기 위해 악용되었습니다. 예를 들어 I) MoS2,Au, Pt, Ni, Cu, WC,11,12,,13,,14,ii) 산소 진화 반응(OER)에 대한 수소 진화 반응(HER)이 포함되며, NiOx16,니켈 철 합금18 및 iii) Pt, Pd12,15, 15,,,19,,20. 이러한 보고의 대부분에서 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 같은 유기 폴리머는 탄성 기판으로 사용되었다. 앞서 스트레인 연구를 위해 스테인레스스틸(16)과 초탄성/형상 기억 NiTi 합금(Nitinol17,,21)과같은 탄성 금속 기판의 적용을 시연하였다. 니티놀은 또한 ORR19용 플래티넘 필름의 증착을 위한 탄성 기판으로 사용되고 있으며, 에너지 저장용 배터리 음극 재료의증착(22,,23)도사용되고 있다. 그 모양 메모리와 의사탄성 특성으로 인해, NiTi 합금은 각각 적당한 열19 또는 기계적 변형(17)을적용하여 변형 될 수있다. 유기 탄성 기판과는 달리, 금속 기판은 일반적으로 접착 촉진자의 증착을 필요로하지 않으며, 고도로 전도성이며 쉽게 기능화 될 수 있습니다. 니티놀은 스테인레스 스틸 (SS)에 대한 보다 탄성 대안으로 사용됩니다. SS는 0.2%까지 가역적으로 변형될 수 있지만, 니티놀은 최대 7%까지 가역적으로 변형될 수 있습니다. Nitinol은 큰 탄성 변형(24,,25)을허용하는 마르텐시틱 고체 상태 크리스탈 변환에 고유 한 특성을 빚지고 있다. 두 재료 모두 다양한 형상(예: 호일, 전선 및 스프링)에서 시판됩니다. 탄성 스프링으로 형성될 때, 금속 기판은 고가의계측물(16)에대한 필요 없이 전기촉매에 대한 동적 변형의 효과를 연구하는 데 사용될 수 있다. 그러나 응력 변형 반응을 정의하는 것은 다른 형상보다 더 어렵습니다.
전이 금속 촉매를 가진 이전 실험 연구에서, 변형하에 촉매 표면의 활동의 변화는 구어체로 d-밴드 이론으로 알려진 d 궤도의 에너지의 변화에기인하고있다(26). 대조적으로, 금속 산화물에 대한 긴장의 효과는 훨씬 더 복잡하며, 이는 반대갭, 캐리어 이동성, 결함의 확산 및 분포, 심지어 직간접 전이21,27,,28,,29,,30,31에영향을 미칠 수 있기 때문이다.,, 본 원에서 우리는 n형 도핑 TiO2 박막의 준비 및 특성화에 대한 상세한 프로토콜뿐만 아니라 튜닝, 인장 균주하에서 이러한 필름의 전기 촉매 활동을 연구하는 프로토콜을 제공합니다. 상기 등가 계통은 동적 변형의 함수로서 다른 물질의 전기촉매 활동을 연구하기 위해 적용될 수 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
니티놀은 박막에 기계적 응력에 적합한 탄성 기판입니다. 그것은 상업적으로 사용할 수, 높은 전도성 쉽게 작동 할 수있다. 티오 2 의 열 처리에 의한 루틸 티오2 박막의 제조는 매우 n형 도핑 TiO2의결과. NiTi/TiO2는 TiO2 필름이 증착 방식이 아닌 NiTi의 열처리에 의해 제조되는 독특한 시스템이라는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 우리의 이전 간행물은 NiTi/TiO2에</…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 모든 공동 저자, 지속 가능한 에너지 얼라이언스의 직원, LLC, 계약 번호에 따라 미국 에너지부 (DOE)에 대한 국립 신재생 에너지 연구소의 관리자 및 운영자에 의해 수행되었다. DE-AC36-08GO28308. 미국 DOE, 과학사무소, 기초 에너지 과학 사무소, 화학 과학, 지구과학 및 생명과학, 태양광 광화학 프로그램 등이 제공하는 자금 조달.
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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