تطبيق الضغط الديناميكي على أفلام أكسيد رقيقة شل على سبائك النيكل التيتانيوم الزائفة
Summary
يتم تطبيق ديناميكية، سلالة الشد على تي أو2 رقيقة للأفلام لدراسة آثار الضغط على كتركاتل، والحد من البروتون على وجه التحديد وأكسدة المياه. يتم إعداد أفلام TiO2 من خلال المعالجة الحرارية لسبائك NiTi الزائفة المرنة (Nitinol).
Abstract
التغيير المباشر لهيكل / وظيفة المادية من خلال سلالة هو مجال متزايد من البحوث التي سمحت لخصائص جديدة للمواد في الظهور. ويمكن تحقيق هيكل المواد ضبط عن طريق السيطرة على قوة خارجية المفروضة على المواد والحث على الردود الإجهاد الإجهاد (أي، وتطبيق سلالة ديناميكية). وعادة ما تترسب الأفلام الكهربائية رقيقة على شكل أو حجم tunable ركائز مرنة، حيث التحميل الميكانيكية (أي، ضغط أو التوتر) يمكن أن تؤثر على بنية الفيلم وظيفة من خلال الضغط المفروضة. هنا، ونحن تلخيص أساليب لجهد ن من نوع ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) الأفلام التي أعدتها المعالجة الحرارية من سبيكة النيكل التيتانيوم مرنة الزائفة (نيتينول). والغرض الرئيسي من الطرق المذكورة هو دراسة كيفية تأثير الإجهاد على الأنشطة الكهركتروكاتية لأكسيد المعادن، وعلى وجه التحديد تطور الهيدروجين والتفاعلات تطور الأكسجين. ويمكن تكييف نفس النظام لدراسة تأثير سلالة على نطاق أوسع. يمكن تطبيق هندسة سلالة لتحسين وظيفة المواد، وكذلك لتصميم قابل للتعديل، متعددة الوظائف (الصورة) المواد الكهربائية تحت السيطرة الخارجية الإجهاد.
Introduction
وقد اعترف على نطاق واسع القدرة على تغيير التفاعل السطحي للمواد الحفازة عن طريق إدخال سلالة1،2،3. يمكن إدخال آثار سلالة في المواد البلورية إما عن طريق تعديل بنية المواد (سلالة ثابتة)أو عن طريق تطبيق قوة خارجية متغيرة (سلالة ديناميكية). في المواد البلورية، يمكن إدخال سلالة ثابتة من المنشطات4،دي سبيكة5،,6،الضم7،نمو الظهارية على شعرية الكريستال غيرمتطابقة 2 أو حجم الحبس2،,3. في المواد البوليبلورية، يمكن أن تحدث سلالة داخل حدود الحبوب بسبب التوأمة الكريستال8. يتطلب تحديد الدرجة المثلى من السلالة الساكنة مع بنيات المواد تصميم عينة جديدة لكل مستوى من السلالة المنفصلة ، والتي يمكن أن تكون مضيعة للوقت ومكلفة. وعلاوة على ذلك، وإدخال سلالة ثابتة غالبا ما يدخل الآثار الكيميائية أو يغاند9،10، مما يجعل من الصعب عزل مساهمة سلالة. تطبيق سلالة ديناميكية تسيطر عليها بدقة قوة خارجية يسمح ضبط منهجي من بنية المواد / علاقة وظيفة من أجل استكشاف مجموعة ديناميكية على مساحة سلالة دون إدخال تأثيرات أخرى.
لدراسة آثار الضغط الديناميكي على الكتروكات، يتم ترسيب المعادن أو أكاسيد المعادن على شكل مرن أو ركازات قابلة للتحلي بالحجم، مثل البوليمرات العضوية11،12،13،14،15 أوسبائك 16،17. تطبيقات الميكانيكية، الحرارية أو الكهربائية نتائج التحميل في الانحناء، الضغط، أو التوسع في الركيزة مرنة، مما يؤدي إلى مزيد من الضغط على استجابة الإجهاد على المواد الحفازة المودعة. حتى الآن، تم استغلال الهندسة المحفزة من خلال سلالة ديناميكية لضبط الأنشطة الكهربائية لمختلف المواد المعدنية وشبه الموصلة. وتشمل الأمثلة i) تفاعل تطور الهيدروجين (HER) على MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,,14, ii) تفاعل تطور الأكسجين (OER) على NiOx16, سبائك الحديدالنيكل 18 و iii) تفاعل خفض الأكسجين (ORR) على Pt, Pd12,15,19,20.14 وفي معظم هذه التقارير، استخدمت البوليمرات العضوية، مثل الميثاكريلات المتعددة الميثيلات (PMMA)، كركائز مرنة. لقد أظهرنا سابقا تطبيق ركائز معدنية مرنة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ16 وسبائك نيتي فائقة المرونة /الشكل-الذاكرة (نيتينول17،21) لدراسات الإجهاد. كما تم استخدام النيتينول كركيزة مرنة لترسب الأفلام البلاتينية لـ ORR19 و ترسب مواد الكاثود البطارية لتخزين الطاقة22,23. نظرا لذاكرة الشكل وخصائص pseudoelastic، يمكن تشوه سبائك NiTi عن طريق تطبيق الحرارة المعتدلة19 أو سلالة الميكانيكية17، على التوالي. وعلى النقيض من ركائز مرنة العضوية، لا تتطلب الركائز الفلزية عادة ترسب المروجين التصاق، وهي موصلة للغاية ويمكن بسهولة أن تكون وظيفية. يستخدم النيتينول كبديل أكثر مرونة للفولاذ المقاوم للصدأ (SS). في حين يمكن أن تكون SS متوترة بشكل عكسي تصل إلى 0.2٪، يمكن أن يكون nitinol متوترة بشكل عكسي تصل إلى 7٪. نيتينول يدين خصائصه الفريدة إلى التحول البلورية الصلبة الدولة martensitic الذي يسمح للتشوهات المرنة الكبيرة24,25. كل من المواد المتاحة تجاريا في هندسه مختلفة (على سبيل المثال، رقائق، أسلاك، والينابيع). عندما شكلت في الينابيع المرنة, يمكن استخدام ركائز معدنية لدراسة آثار الضغط الديناميكي على كتركاتل دون الحاجة إلى أجهزة مكلفة16; ومع ذلك، تعريف استجابة الإجهاد- الإجهاد هو أكثر تحديا من هندسات أخرى.
في الدراسات التجريبية السابقة مع المحفزات المعادن الانتقالية، وقد نسبت التغيرات في أنشطة الأسطح الحفازة تحت الضغط إلى التغيرات في حيوية من مدارات د المعروفة بالعامية كنظرية d-band26. في المقابل، آثار الضغط على أكاسيد المعادن هو أكثر تعقيدا بكثير، كما أنه يمكن أن تؤثر bandgap، التنقل الناقل، وانتشار وتوزيع العيوب وحتى المباشرة / غير المباشرة التحولات21،27،28،2929،30،31. هنا نقدم بروتوكولات مفصلة لإعداد وتوصيف ن نوع تينو2 رقيقة الأفلام، فضلا عن بروتوكولات لدراسة الأنشطة الكهربائية من هذه الأفلام تحت tunable، سلالة الشد. ويمكن تطبيق نظام ما يعادل لدراسة الأنشطة الكهربائية من مواد مختلفة كدالة سلالة ديناميكية.
Protocol
Representative Results
Discussion
النيتينول هو الركيزة المرنة المناسبة لتطبيق الإجهاد الميكانيكي على الأفلام الرقيقة. وهي متاحة تجاريا، موصلة للغاية ويمكن أن تكون وظيفية بسهولة. إعداد روتيل TiO2 رقيقة الأفلام من قبل المعالجة الحرارية من النيتينول، والنتائج في درجة عالية من نوع ن من نوع TiO2. من المهم التأكيد على ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد قام بهذا العمل جميع المؤلفين المشاركين، وموظفي التحالف من أجل الطاقة المستدامة، وشركة ذ.م.م، ومديرة ومشغلة المختبر الوطني للطاقة المتجددة لوزارة الطاقة الأمريكية بموجب العقد رقم 1. DE-AC36-08GO28308. تمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم، مكتب علوم الطاقة الأساسية، شعبة العلوم الكيميائية، علوم الأرض والعلوم الحيوية، برنامج الكيمياء الضوئية الشمسية.
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 |
Riferimenti
- 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).
