JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimica

Psölastik Nikel-Titanyum Alaşımında İmmobilize Edilmiş İnce Oksit Filmlere Dinamik Zorlanma Uygulamak

Published: July 28, 2020
doi:
10.3791/61410
, , , ,
1Chemical and Nanoscience Center,National Renewable Energy Laboratory, 2Catalytic Carbon Transformation and Scale-Up Center,National Renewable Energy Laboratory, 3Biosciences Center,National Renewable Energy Laboratory

Summary

TiO2 ince filmlerine, özellikle proton redüksiyonu ve su oksidasyonu olmak üzere, gerilimin elektrokataliz üzerindeki etkilerini incelemek için dinamik, çekme gerilimi uygulanır. TiO2 filmleri, sözde elastik NiTi alaşımının (Nitinol) ısıl işlem ile hazırlanmaktadır.

Abstract

Malzeme yapısının/işlevinin gerilme yoluyla doğrudan değiştirilmesi, malzemelerin yeni özelliklerinin ortaya çıkmasına olanak sağlayan büyüyen bir araştırma alanıdır. Malzeme yapısı, malzemelere dayatılan harici bir kuvvetin kontrol edilmesi ve gerilme-gerinim tepkilerini nakışla (yani dinamik gerinimintimaifi) elde edilebilir. Elektroaktif ince filmler genellikle mekanik yüklemenin (yani sıkıştırma veya gerilimin) empoze edilen gerilme yoluyla film yapısını ve işlevini etkileyebileceği şekil veya hacim liekat elastik yüzeylere birikir. Burada, psödo-elastik nikel-titanyum alaşımının (Nitinol) Termal tedavisi ile hazırlanan n-tipi doped titanyum dioksit (TiO2)filmlerini gerilme yöntemlerini özetliyoruz. Açıklanan yöntemlerin temel amacı, suş metal oksitin elektrokatalitik aktivitelerini, özellikle hidrojen evrimini ve oksijen evrimreaksiyonlarını nasıl etkilediğini incelemektir. Aynı sistem, zorlanmanın etkisini daha geniş bir şekilde incelemek için uyarlanabilir. Gerinim mühendisliği, bir malzeme fonksiyonunun optimizasyonu ve harici gerilim kontrolü altında ayarlanabilir, çok fonksiyonlu (foto) elektrokatalitik malzemelerin tasarımı için de uygulanabilir.

Introduction

Suşu getirerek katalitik malzemelerin yüzey reaktivitesini değiştirme yeteneği yaygın olarak kabul edilmiştir1,2,3. Kristal malzemelerdeki gerinimin etkileri ya malzeme mimarisini(statik gerinim)ayarlayarak ya da değişken bir dış kuvvet(dinamik gerinim)uygulanarak ortaya çıkabilir. Kristal malzemelerde, statik suşu doping ile tanıtılabilir4, de-alaşımlı5,6, annealing7, uyumsuz kristal kafes üzerinde epitaksial büyüme2 veya boyut hapsi2,3. Polikristalin malzemelerde, kristal eşleştirme8nedeniyle tane sınırları içinde gerilme oluşabilir. Malzeme mimarileri ile statik gerinim in en uygun derecesini belirlemek, zaman alıcı ve pahalı olabilecek her ayrı gerinim düzeyi için yeni bir örnek tasarlamayı gerektirir. Ayrıca, statik suşu tanıtmak genellikle kimyasal veya ligand etkileri tanıttı9,10, zor gerinim katkısı izole etmek için yapım. Harici bir kuvvet tarafından hassas bir şekilde kontrol edilen dinamik bir gerilme uygulamak, başka etkiler yaratmadan gerinim alanı üzerinde dinamik bir aralık keşfetmek için bir malzemenin yapısı/işlevi ilişkisinin sistematik olarak atolmasına olanak tanır.

Elektrokataliz üzerinde dinamik zorlanma etkilerini incelemek için, metaller veya metal oksitler organik polimerler11,12 ,13,,,14,15 veya alaşımlar16,17gibi elastik şekil veya hacim tasp, yatırılır.13 Mekanik, termal veya elektriksel yükleme uygulamaları, elastik bir substratın bükülmesi, sıkıştırılması, uzaması veya genişlemesi ile sonuçlanır ve biriken katalitik malzemeüzerinde gerilim-gerinim tepkisi ne kadar da etkili olabilir. Şimdiye kadar, dinamik gerinim yoluyla katalizör mühendisliği çeşitli metalik ve yarı iletken malzemelerin elektrokatalitik faaliyetlerini ayarlamak için kullanılmıştır. Örnekler i) MoS2hidrojen evrim reaksiyonu (HER) dahil , Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) Oksijen evrim reaksiyonu (OER) NiOx16, nikel-demir alaşımları18 ve iii) oksijen azaltma reaksiyonu (ORR) Pt, Pd12,15,19,20. Bu raporların çoğunda polimetil metakrilat (PMMA) gibi organik polimerler elastik substrat olarak kullanılmıştır. Daha önce paslanmaz çelik16 ve süperelastik /şekil-bellek NiTi alaşımı (Nitinol17,21) gibi elastik metalik yüzeylerin gerinim çalışmaları için uygulanmasını gösterdik. Nitinol da ORR19 ve enerji depolama için pil katot malzemelerin birikimi için platin filmlerin birikimi için elastik bir substrat olarak kullanılmıştır22,23. Şekil hafızası ve psödoelastik özellikleri nedeniyle, NiTi alaşımları sırasıyla orta ısı19 veya mekanik suşu17uygulanarak deforme edilebilir. Organik elastik yüzeylerin aksine, metalik yüzeyler genellikle yapışma organizatörleri birikimini gerektirmez, son derece iletkendir ve kolayca işlevselhale getirilebilir. Nitinol paslanmaz çelik (SS) için daha elastik bir alternatif olarak kullanılır. SS%0.2’ye kadar geri döndürülebilirken, nitinol %7’ye kadar geri döndürülebilir. Nitinol büyük elastik deformasyonlar24,,25sağlar bir sansarsitik katı hal kristal dönüşümü için eşsiz özellikleri borçludur. Her iki malzeme de ticari olarak farklı geometrilerde (örneğin, folyolar, teller ve yaylar) mevcuttur. Elastik yaylar halinde şekillendirildiğinde, metalik yüzeyler, pahalı enstrümantasyona gerek kalmadan dinamik gerilimin elektrokataliz üzerindeki etkilerini incelemek için kullanılabilir16; ancak, gerilim-gerinim tepkisini tanımlamak diğer geometrilere göre daha zordur.

Geçiş metal katalizörler ile önceki deneysel çalışmalarda, gerginlik altında katalitik yüzeylerin faaliyetlerinde değişiklikler d orbitalleri halk dilinde d-band teorisi26olarak bilinen enerjideğişiklikleri atfedilmiştir. Buna karşılık, metal oksitler üzerinde zorlanma etkileri önemli ölçüde daha karmaşıktır, bu bandgap etkileyebilir gibi, taşıyıcı hareketlilik, difüzyon ve kusurları dağılımı ve hatta doğrudan / dolaylı geçişler21,27,28,29,30,31. Burada n-tipi doped TiO2 ince filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu için ayrıntılı protokoller ve bu filmlerin tunable, çekme gerilimi altında elektrokatalitik aktivitelerini incelemek için protokoller salıyoruz. Eşdeğer sistem dinamik gerinim bir fonksiyonu olarak farklı malzemelerin elektrokatalitik faaliyetleri çalışma için uygulanabilir.

Protocol

1. NiTi/TiO2 elektrotlarının hazırlanması NiTi substratlarının kimyasal ve mekanik parlatma Süperelastik NiTi folyoyu (0,05 mm kalınlığında) 1 cm x 5 cm şeritler halinde kesin. 320-, 600 ve 1200-grit zımpara kullanarak Lehçe örnek ve sonra ultrasaf su (18,2 MΩ) ile durulayın. 1 μm elmas, 0,25 μm elmas ve 0,05 m alümina cilası ile lehçe örnek. Parlatıldıktan sonra, ultrasaf su (18,2 MΩ), izopropanol, etanol, ultrasaf su (18,2 MΩ) ve d…

Representative Results

Önceden işlenmiş NiTi folyolar aerobik koşullarda 500 °C’de oksitlenir (Şekil 1). Titanyumun oksofilik yapısı nedeniyle, yüksek sıcaklıklarda kalsinasyon rutil TiO2bir yüzey tabakası ile sonuçlanır. Tabakanın kalınlığı ve n tipi dopingin derecesi, 20 dk ısıtmadan sonra griden (işlenmemiş numune) tek düze mavi/mor renk değişimine yansıyan zaman ve sıcaklıktan etkilenir (Şekil 2). Daha uzun ısıtma süresi daha kalın TiO…

Discussion

Nitinol ince filmler mekanik stres uygulamak için uygun bir elastik substrat olduğunu. Ticari olarak mevcuttur, son derece iletkendir ve kolayca işlevselhale getirilebilir. Nitinol termal tedavi ile rutil TiO2 ince filmlerin hazırlanması, son derece n-tipi doped TiO2sonuçları . NiTi/TiO 2’nin,2 TiO2 filmlerinin bir biriktirme yöntemi yerine NiTi’nin termal tedavisi yle hazırlandığı benzersiz bir sistem olduğunu vurgulamak önemlidir. Önceki yayınlarımız, NiTi/T…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Abd Enerji Bakanlığı (DOE) için Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı’nın yöneticisi ve operatörü olan Sürdürülebilir Enerji İttifakı’nın çalışanları ve tüm ortak yazarlar tarafından yürütülmüştür. DE-AC36-08GO28308. Finansman ABD DOE, Office Ofis Bilim, Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Kimya Bilimleri Bölümü, Yerbilimleri ve Biyobilimler, Güneş Fotokimya Programı tarafından sağlanmaktadır.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Li, J., Shan, Z., Ma, E. Elastic strain engineering for unprecedented materials properties. MRS Bulletin. 39, 108-114 (2014).
  2. Luo, M., Guo, S. Strain-controlled electrocatalysis on multimetallic nanomaterials. Nature Reviews Materials. 2, 17059 (2017).
  3. Yang, S., Liu, F., Wu, C., Yang, S. Tuning Surface Properties of Low Dimensional Materials via Strain Engineering. Small. 2016, 4028-4047 (2016).
  4. 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).
  5. Lu, Z., et al. Electrochemical tuning of layered lithium transition metal oxides for improvement of oxygen evolution reaction. Nature Communications. 5, 4345 (2014).
  6. 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).
  7. Gu, J., et al. A graded catalytic-protective layer for an efficient and stable water-splitting photocathode. Nature Energy. 2, 16192 (2017).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wang, X., et al. Strain Effect in Bimetallic Electrocatalysts in the Hydrogen Evolution Reaction. ACS Energy Letters. 3, 1198-1204 (2018).
  11. Deng, Q., Smetanin, M., Weissmüller, J. Mechanical modulation of reaction rates in electrocatalysis. Journal of Catalysis. 309, 351-361 (2014).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Benson, E. E., et al. Dynamic Tuning of a Thin Film Electrocatalyst by Tensile Strain. Scientific Reports. 9, 15906 (2019).
  18. Wang, A., et al. Tuning the oxygen evolution reaction on a nickel-iron alloy via active straining. Nanoscale. 11, 426-430 (2019).
  19. 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).
  20. Wang, H., et al. Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials. Science. 354, 1031-1036 (2016).
  21. Benson, E. E., et al. Semiconductor-to-Metal Transition in Rutile TiO2 Induced by Tensile Strain. Chemistry of Materials. 29, 2173-2179 (2017).
  22. Muralidharan, N., et al. Tunable Mechanochemistry of Lithium Battery Electrodes. ACS Nano. 11, 6243-6251 (2017).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Mavrikakis, M., Hammer, B., Nørskov, J. K. Effect of Strain on the Reactivity of Metal Surfaces. Physical Review Letters. 81, 2819-2822 (1998).
  27. 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).
  28. Kushima, A., Yip, S., Yildiz, B. Competing strain effects in reactivity of LaCoO3 with oxygen. Physical Review B. 82, 115435 (2010).
  29. Li, Z., Potapenko, D. V., Osgood, R. M. Controlling Surface Reactions with Nanopatterned Surface Elastic Strain. ACS Nano. 9, 82-87 (2015).
  30. 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).
  31. Ling, T., et al. Activating cobalt(II) oxide nanorods for efficient electrocatalysis by strain engineering. Nature Communications. 8, 1509 (2017).
  32. Tavares, C. J., et al. Strain analysis of photocatalytic TiO2 thin films on polymer substrates. Thin Solid Films. 516, 1434-1438 (2008).
  33. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (2001).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

Dynamic StrainThin Oxide FilmsNickel-titanium AlloyChemical And Mechanical PolishingRutile-titanium DioxideTensile StressElectrochemical MeasurementsHydrogen Evolution Reaction

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Zhang, H., Benson, E. E., Van Allsburg, K. M., Miller, E. M., Svedruzic, D. Applying Dynamic Strain on Thin Oxide Films Immobilized on a Pseudoelastic Nickel-Titanium Alloy. J. Vis. Exp. (161), e61410, doi:10.3791/61410 (2020).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image