Динамический, напряженный штамм наносится на тонкие пленки TiO2 для изучения влияния нагрузки на электрокатализ, в частности, сокращение протонов и окисление воды. Пленки TiO2 готовятся путем термической обработки псевдоэластичного сплава NiTi (Nitinol).
Прямое изменение структуры/функции материала через напряжение является растущей областью исследований, которая позволила появиться новым свойствам материалов. Настройка материальной структуры может быть достигнута путем контроля внешней силы, налагаемой на материалы, и индуцирования реакций напряжения и напряжения (т.е. применения динамического напряжения). Электроактивные тонкие пленки, как правило, откладываются на форму или объем настраиваемых эластичных субстратов, где механическая нагрузка (т.е. сжатие или напряжение) может повлиять на структуру пленки и функции через введенный штамм. Здесь мы обобщаем методы напрягания n-типа допинг диоксида титана (TiO2) пленки, подготовленные тепловой обработки псевдо-эластичного никель-титанового сплава (Нитинол). Основной целью описанных методов является изучение того, как штамм влияет на электрокаталитическую деятельность оксида металла, в частности эволюцию водорода и реакции эволюции кислорода. Та же система может быть адаптирована для изучения влияния штамма в более широком смысле. Проектирование штамма может быть применено для оптимизации материальной функции, а также для проектирования регулируемых, многофункциональных (фото) электрокаталитических материалов под внешним контролем стресса.
Способность изменять поверхностную реактивность каталитических материалов путем введения штамма широко признана1,,2,,3. Эффекты деформации в кристаллических материалах могут быть введены либо путем корректировки материальной архитектуры(статический штамм),либо путем применения переменной внешней силы(динамического напряжения). В кристаллических материалах, статическое напряжение может бытьвведено путем допинга 4, де-сплав5,6, annealing7, эпитаксис роста на несовпадения кристаллическойрешетки 2 или размерзаключения 2,3. В поликристаллических материалах, штамм может произойти в пределах границ зерна из-за кристаллическогопобратимство 8. Определение оптимальной степени статического напряжения с материальными архитектурами требует разработки нового образца для каждого дискретного уровня напряжения, что может быть трудоемким и дорогостоящим. Кроме того, введение статического штамма часто вводит химическиеили лиганд-эффекты 9,,10,что затрудняет изоляцию вклада штамма. Применение динамического напряжения, точно контролируемого внешней силой, позволяет систематически настраивать отношения структуры/функции материала, с тем чтобы исследовать динамический диапазон над пространством напряжения без введения других эффектов.
Для изучения влияния динамической нагрузки на электрокатализы, металлы или оксиды металла откладываются на эластичную форму или объем настраиваемых субстратов,таких как органические полимеры 11,,12,,13,,14,,15 или сплавы 16,,17. Применение механической, тепловой или электрической нагрузки приводит к изгибу, сжатию, удлинения или расширению эластичного субстрата, что еще больше вызывает стресс-нагрузку на депонированную каталитический материал. До сих пор, катализатор инженерных через динамическое напряжение было использовано для настройки электрокаталитической деятельности различных металлических и полупроводящих материалов. Примеры включают i) реакция эволюции водопода (HER) на MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) реакция эволюции кислорода (OER) на NiOx16, никель-железныесплавы 18 и iii) реакция уменьшения кислорода (ORR) на Pt, Pd12,15,19,20. В большинстве этих докладов органические полимеры, такие как полиметилметакрилат (ПММА), использовались в качестве эластичные субстраты. Ранее мы продемонстрировали применение эластичных металлических субстратов, таких какнержавеющая сталь 16 и суперэластичный/форм-память Сплава NiTi (Nitinol17,21) для исследований деформации. Нитинол также используется в качестве эластичного субстрата для осаждения платиновых пленок для ORR19 и осаждения катодных материалов батареидля хранения энергии 22,23. Благодаря своей памяти формы и псевдоэластичным свойствам, сплавы NiTi могут быть деформированы,применяя умеренное тепло 19 или механическое напряжение 17,соответственно. В отличие от органических эластичные субстраты, металлические субстраты, как правило, не требуют осаждения адгезии промоутеров, являются высокопроводятными и могут быть легко функционализированы. Нитинол используется в качестве более эластичной альтернативы нержавеющей стали (SS). В то время как СС может быть обратимо напряжены до 0,2%, нитинол может быть обратимо напряжен до 7%. Нитинол обязан своими уникальными свойствами мартенстической твердой кристаллической трансформации, которая позволяет для больших упругихдеформаций 24,25. Оба материала коммерчески доступны в различных геометриях (например, фольги, провода и пружины). При форме в эластичные пружины, металлические субстраты могут быть использованы для изучения влияния динамической нагрузки на электрокатализа без необходимости дорогостоящихприборов 16; однако определение реакции на стресс-напряжение является более сложным, чем для других геометрий.
В предыдущих экспериментальных исследованиях с переходными металлическими катализаторами, изменения в деятельности каталитических поверхностей под напряжением были отнесены к изменениям в энергии d орбиты разговорно известный как d-диапазон теории26. В отличие от этого, влияние нагрузки на оксиды металла значительно сложнее, так как это может повлиять на полосу, подвижность носителя, диффузию и распределениедефектов и даже прямые/косвенные переходы 21,,27,,28,,29,,30,,31. В этом мы предоставляем подробные протоколы по подготовке и характеристике n-типа допинг TiO2 тонких пленок, а также протоколы для изучения электрокаталитической деятельности этих пленок под настраиваемым, напряженным напряжением. Эквивалентная система может быть применена для изучения электрокаталитической деятельности различных материалов в качестве функции динамического напряжения.
Нитинол является подходящим эластичным субстратом для применения механической нагрузки на тонкие пленки. Он коммерчески доступен, высокопроводящий и может быть легко функционализирован. Подготовка рутила TiO2 тонких пленок путем термической обработки нитинола, приводит к высок?…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была проведена всеми соавторами, сотрудниками Альянса за устойчивую энергетику, ООО, менеджером и оператором Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (DOE) по контракту No. DE-AC36-08GO28308. Финансирование осуществляется Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом химических наук, геонаук и бионаук, Программой солнечной фотохимии.
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 |