Aplicación de tensión dinámica en películas de óxido fino inmovilizadas en una aleación pseudoelástica de níquel y titanio

La capacidad de alterar la reactividad superficial de los materiales catalíticos mediante la introducción de la tensión ha sido ampliamente reconocida^1,2,3. Los efectos de la tensión en materiales cristalinos se pueden introducir ajustando la arquitectura del material(deformación unitaria estática)o aplicando una fuerza externa variable(deformación dinámica). En materiales cristalinos, la tensión estática se puede introducir^{dopando 4}, desalecación^5,6, recocido⁷, crecimiento epitaxial en una celosía de cristal no coincidente² o confinamiento de tamaño^2,3. En materiales policristalinos, la deformación unitaria puede producirse dentro de los límites del grano debido al hermanamiento de^{cristales 8}. Determinar el grado óptimo de tensión estática con arquitecturas de materiales requiere diseñar una nueva muestra para cada nivel discreto de tensión, que puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Además, la introducción de la cepa estática a menudo introduce efectos químicos o ligando^9,10, lo que dificulta aislar la contribución de la cepa. La aplicación de una tensión dinámica controlada con precisión por una fuerza externa permite ajustar sistemáticamente la relación estructura/función de un material con el fin de explorar un rango dinámico sobre el espacio de deformación unitaria sin introducir otros efectos.

Para estudiar los efectos de la tensión dinámica en la electrocatálisis, los metales u óxidos metálicos se depositan en forma elástica o sustratos sintonizables por volumen, como polímeros orgánicos^{11,,12,,13,,14,,15} o aleaciones^16,,17. Las aplicaciones de carga mecánica, térmica o eléctrica dan como resultado la flexión, compresión, elongación o expansión de un sustrato elástico, induciendo aún más una respuesta de tensión-tensión en el material catalítico depositado. Hasta ahora, la ingeniería de catalizadores a través de la cepa dinámica se ha explotado para ajustar las actividades electrocatalíticas de diversos materiales metálicos y semiconductores. Algunos ejemplos son i) la reacción de evolución del hidrógeno (HER) en MoS₂, Au, Pt, Ni, Cu, WC^11,12,13,14, ii) la reacción de evolución de oxígeno (OER) en NiO_x¹⁶, aleaciones de níquel-hierro¹⁸ y iii) la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en Pt, Pd^12,15,19,20. En la mayoría de estos informes, los polímeros orgánicos, como el metacrilato de polimetil (PMMA), se utilizaron como sustratos elásticos. Anteriormente demostramos la aplicación de sustratos metálicos elásticos, como el acero inoxidable¹⁶ y una aleación NiTi superelástica/memoria de forma (Nitinol^17,21) para estudios de deformación unitaria. Nitinol también se ha utilizado como sustrato elástico para la deposición de películas de platino para ORR¹⁹ y la deposición de materiales cátodos de batería para el almacenamiento de energía^22,,23. Debido a su memoria de forma y propiedades pseudoelásticas, las aleaciones NiTi se pueden deformar aplicando calor moderado¹⁹ o tensión mecánica^17,respectivamente. A diferencia de los sustratos elásticos orgánicos, los sustratos metálicos normalmente no requieren la deposición de los promotores de la adhesión, son altamente conductores y se pueden funcionalizar fácilmente. El nitinol se utiliza como una alternativa más elástica al acero inoxidable (SS). Mientras que las SS se pueden tensar de forma reversible hasta un 0,2%, el nitinol puede tensarse de forma reversible hasta un 7%. Nitinol debe sus propiedades únicas a una transformación cristalina de estado sólido martensítico que permite grandes deformaciones elásticas^24,,25. Ambos materiales están disponibles comercialmente en diferentes geometrías (por ejemplo, láminas, alambres y muelles). Cuando se moldea en muelles elásticos, los sustratos metálicos se pueden utilizar para estudiar los efectos de la tensión dinámica en la electrocatálisis sin necesidad de instrumentación costosa¹⁶; sin embargo, definir la respuesta de tensión-deformación unitaria es más difícil que para otras geometrías.

En estudios experimentales previos con catalizadores metálicos de transición, los cambios en las actividades de las superficies catalíticas bajo tensión se han atribuido a cambios en la energía de los orbitales d conocidos coloquialmente como teoría de la banda d²⁶. Por el contrario, los efectos de la tensión sobre los óxidos metálicos son significativamente más complejos, ya que puede afectar a bandgap, movilidad de portadoras, difusión y distribución de defectos e incluso transiciones directas/indirectas^{21,27,28,29,30,31}. Aquí proporcionamos protocolos detallados para la preparación y caracterización de películas delgadas TiO₂ dopadas de tipo n, así como protocolos para estudiar las actividades electrocatalíticas de estas películas bajo tensión tunable. El sistema equivalente se puede aplicar para estudiar las actividades electrocatalíticas de diferentes materiales en función de la tensión dinámica.