Application d’une contrainte dynamique sur les films à oxyde mince immobilisés sur un alliage pseudoélastique nickel-titane

La capacité de modifier la réactivité de surface des matériaux catalytiques en introduisant la souche a été^{largement reconnue 1,2,3}. Les effets de la contrainte dans les matériaux cristallins peuvent être introduits soit en ajustant l’architecture matérielle(contraintestatique) soit en appliquant une force externe variable(souche dynamique). Dans les matériaux cristallins, la souche statique peut être introduite par^{dopage 4}, dés alliage^5,6, annealing⁷, croissance épitaxiale sur un treillis de cristal^{dépareillé 2} ou la taille confinement^2,3. Dans les matériaux polycrystallins, la souche peut se produire à l’intérieur des limites du grain en raison du jumelage^{en cristal 8}. Pour déterminer le degré optimal de tension statique avec les architectures matérielles, il faut concevoir un nouvel échantillon pour chaque niveau discret de contrainte, ce qui peut prendre beaucoup de temps et coûter cher. En outre, l’introduction de la souche statique introduit souvent des effets chimiques ou ligand^9,10, ce qui rend difficile d’isoler la contribution de la souche. L’application d’une souche dynamique contrôlée avec précision par une force externe permet un réglage systématique de la relation structure/fonction d’un matériau afin d’explorer une plage dynamique au-dessus de l’espace de contrainte sans introduire d’autres effets.

Pour étudier les effets de la souche dynamique sur l’électrocatalyse, les métaux ou les oxydes métalliques sont déposés sur des substrats de thon de forme élastique ou de volume, tels que les polymères^{organiques 11,,12,13,14,15} ou les alliages^16,17. Les applications de charge mécanique, thermique ou électrique se traduit par la flexion, la compression, l’allongement ou l’expansion d’un substrat élastique, induisant ainsi une réponse de contrainte-contrainte sur le matériau catalytique déposé. Jusqu’à présent, l’ingénierie des catalyseurs par contrainte dynamique a été exploitée pour accorder les activités électrocatalytiques de divers matériaux métalliques et semi-supraducteurs. Par exemple, i) la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) sur MoS₂, Au, Pt, Ni, Cu, WC^11,12,13,14, ii) la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) sur NiO_x¹⁶, alliages nickel-fer¹⁸ et iii) la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) sur Pt,^12,15,19,20. Dans la plupart de ces rapports, les polymères organiques, tels que le méthacrylate polyméthyle (PMMA), ont été utilisés comme substrats élastiques. Nous avons précédemment démontré l’application de substrats métalliques élastiques, tels que^{l’acier inoxydable 16} et un alliage NiTi superélastique/mémoire de forme (Nitinol^17,21) pour des études de souche. Nitinol a également été utilisé comme substrat élastique pour le dépôt de films en platine pour ORR¹⁹ et le dépôt de matériaux cathodiques de batterie pour le stockage de^{l’énergie 22,23}. En raison de sa mémoire de forme et de ses propriétés pseudoélastiques, les alliages NiTi peuvent être déformés en appliquant une chaleur^{modérée 19} ou une souche^{mécanique 17,}respectivement. Contrairement aux substrats élastiques organiques, les substrats métalliques ne nécessitent généralement pas de dépôt de promoteurs d’adhérence, sont très conductrices et peuvent facilement être fonctionnalisés. Nitinol est utilisé comme une alternative plus élastique à l’acier inoxydable (SS). Alors que le SS peut être réversiblement tendu jusqu’à 0,2%, nitinol peut être réversiblement tendu jusqu’à 7%. Nitinol doit ses propriétés uniques à une transformation en cristal à l’état solide martensitique qui permet de grandes déformations élastiques^24,25. Les deux matériaux sont disponibles dans le commerce dans des géométries différentes (p. ex., feuilles, fils et ressorts). Lorsqu’ils sont formés en ressorts élastiques, les substrats métalliques peuvent être utilisés pour étudier les effets de la tension dynamique sur l’électrocatalyse sans avoir besoin d’instrumentation^{coûteuse 16}; toutefois, la définition de la réponse stress-souche est plus difficile que pour d’autres géométries.

Dans des études expérimentales précédentes avec des catalyseurs métalliques de transition, les changements dans les activités des surfaces catalytiques sous tension ont été attribués à des changements dans l’énergie des orbitales d familièrement connues sous le nom de théorie de la bande D²⁶. En revanche, les effets de la contrainte sur les oxydes métalliques sont beaucoup plus complexes, car ils peuvent avoir des effets sur la bandgap, la mobilité des transporteurs, la diffusion et la distribution des défauts et même les transitions directes/indirectes^{21,27,28,29,30,31}. Nous fournissons ci-dessous des protocoles détaillés pour la préparation et la caractérisation de n-type dopé TiO₂ films minces, ainsi que des protocoles pour étudier les activités électrocatalytiques de ces films sous tunable, souche tensile. Le système équivalent peut être appliqué pour étudier les activités électrocatalytiques de différents matériaux en fonction de la tension dynamique.