Toepassing van dynamische stam op dunne oxide films geïmmobiliseerd op een Pseudoelastic Nickel-Titanium Alloy
概要
Dynamische, trekspanning wordt toegepast op TiO2 dunne films om de effecten van spanning op elektrokatalyse te bestuderen, met name protonreductie en wateroxidatie. TiO2-folies worden bereid door thermische behandeling van de pseudo-elastische NiTi-legering (Nitinol).
Abstract
Directe wijziging van de materiaalstructuur / functie door middel van stam is een groeiend gebied van onderzoek dat heeft toegestaan voor nieuwe eigenschappen van materialen te ontstaan. De afstemming van de materiaalstructuur kan worden bereikt door een externe kracht te beheersen die wordt opgelegd aan materialen en stressbelastingreacties te induceren (d.w.z. het toepassen van dynamische belasting). Elektroactieve dunne films worden meestal afgezet op vorm of volume tunable elastische substraten, waar mechanische belasting (d.w.z. compressie of spanning) de filmstructuur en de functie kan beïnvloeden door opgelegde belasting. Hier vatten we methoden samen voor het persen van n-type gedrogeerde titaniumdioxide (TiO2)films bereid door een thermische behandeling van een pseudo-elastische nikkel-titaniumlegering (Nitinol). Het belangrijkste doel van de beschreven methoden is om te bestuderen hoe stam elektrokatalytische activiteiten van metaaloxide beïnvloedt, met name waterstofevolutie en zuurstofevolutiereacties. Hetzelfde systeem kan worden aangepast om het effect van spanning breder te bestuderen. Strain engineering kan worden toegepast voor optimalisatie van een materiaalfunctie, evenals voor het ontwerp van verstelbare, multifunctionele (foto)elektrokatalytische materialen onder externe stresscontrole.
Introduction
Het vermogen om de oppervlaktereactiviteit van katalytische materialen te veranderen door de invoering van stam is algemeen erkend1,2,3. Effecten van stam in kristallijne materialen kunnen worden geïntroduceerd door het aanpassen van de materiaalarchitectuur(statische belasting)of door het toepassen van een variabele externe kracht(dynamische stam). In kristallijne materialen kan statische stam worden geïntroduceerd door doping4, de-alloying5,6, annealing7, epitaxiale groei op een niet-overeenkomend kristalrooster2 of grootte opsluiting2,3. In polykristallijne materialen kan stam optreden binnen graangrenzen als gevolg van kristaljumele8. Het bepalen van de optimale mate van statische belasting met materiaalarchitecturen vereist het ontwerpen van een nieuw monster voor elk afzonderlijk niveau van spanning, wat tijdrovend en duur kan zijn. Bovendien introduceert de invoering van statische stam vaakchemischeof ligandeffecten 9,10, waardoor het moeilijk is om de stambijdrage te isoleren. Het toepassen van een dynamische stam die nauwkeurig wordt gecontroleerd door een externe kracht maakt het mogelijk om de structuur/functierelatie van een materiaal systematisch af te stemmen om een dynamisch bereik over de spanningsruimte te verkennen zonder andere effecten in te voeren.
Om de effecten van dynamische belasting op elektrokatalyse te bestuderen, worden metalen of metaaloxiden afgezet op elastische vorm of volumetable substraten, zoals organische polymeren11,12,13,14,15 of legeringen16,17. Toepassingen van mechanische, thermische of elektrische belasting resulteert in buigen, compressie, rek of uitbreiding van een elastisch substraat, waardoor een stress-spanningsrespons op het gedeponeerde katalytisch materiaal verder wordt. Tot nu toe is katalysatortechniek door middel van dynamische belasting gebruikt om elektrokatalytische activiteiten van verschillende metaal- en semigeleidende materialen af te stemmen. Voorbeelden hiervan zijn i) de reactie op de waterstofevolutie (HER) op MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) de reactie op zuurstofontwikkeling (OER) op NiOx16, nikkelijzerlegeringen18 en iii) de reactie op zuurstofreductie (ORR) op Pt, Pd12,15,19,20. In de meeste van deze rapporten werden organische polymeren, zoals polymethylmethylmeryrylaat (PMMA), gebruikt als elastische substraten. Eerder demonstreerden we de toepassing van elastische metalen substraten, zoals roestvrij staal16 en een superelastisch/vorm-geheugen NiTi legering (Nitinol17,21) voor stamstudies. Nitinol is ook gebruikt als elastisch substraat voor depositie van platinafilms voor ORR19 en afzetting van batterijhothodematerialen voor energieopslag22,23. Door zijn vormgeheugen en pseudo-elastische eigenschappen kunnen NiTi-legeringen worden vervormd door het toepassen van respectievelijk matige warmte19 of mechanische belasting17. In tegenstelling tot organische elastische substraten vereisen metalen substraten meestal geen afzetting van adhesiepromotors, zijn zeer geleidend en kunnen ze gemakkelijk worden gefunctionaliseerd. Nitinol wordt gebruikt als een elastischer alternatief voor roestvrij staal (SS). Terwijl SS kan worden omkeerbaar gespannen tot 0,2%, nitinol kan worden omkeerbaar gespannen tot 7%. Nitinol dankt zijn unieke eigenschappen aan een martensitische vaste toestand kristal transformatie die grote elastische vervormingen24,25mogelijk maakt . Beide materialen zijn commercieel verkrijgbaar in verschillende geometrieën (bijvoorbeeld folies, draden en veren). Wanneer het in elastische veren wordt gevormd, kunnen metalen substraten worden gebruikt om effecten van dynamische belasting op elektrokatalyse te bestuderen zonder dat dure instrumentatie nodig is16; het definiëren van de stress-spanning respons is echter uitdagender dan voor andere geometrieën.
In eerdere experimentele studies met overgangsmetaalkatalysatoren zijn veranderingen in de activiteiten van katalytische oppervlakken onder druk toegeschreven aan veranderingen in de energetische stoffen van de d orbitalen die in de volksmond bekend staan als d-bandtheorie26. Daarentegen zijn de effecten van belasting op metaaloxiden aanzienlijk complexer, omdat dit gevolgen kan hebben voor bandgap, carriermobiliteit, diffusie en distributie van defecten en zelfs directe/indirecte overgangen21,27,28,29,30,31. Hierin bieden we gedetailleerde protocollen voor de voorbereiding en karakterisering van n-type gedopte TiO 2 dunne films,evenals protocollen om elektrokatalytische activiteiten van deze films te bestuderen onder tunable, trekspanning. Het gelijkwaardige systeem kan worden toegepast om elektrokatalytische activiteiten van verschillende materialen te bestuderen als functie van dynamische belasting.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitinol is een geschikt elastisch substraat voor het toepassen van mechanische belasting op dunne films. Het is commercieel beschikbaar, zeer geleidend en kan gemakkelijk worden gefunctionaliseerd. Voorbereiding van rutile TiO2 dunne films door thermische behandeling van nitinol, resulteert in zeer n-type gedopte TiO2. Het is belangrijk om te benadrukken dat NiTi/TiO2 een uniek systeem is waarbij TiO2-films worden bereid door thermische behandeling van NiTi in plaats van een de…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd uitgevoerd door alle co-auteurs, medewerkers van de Alliance for Sustainable Energy, LLC, de manager en exploitant van het National Renewable Energy Laboratory voor het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) onder contract nr. DE-AC36-08GO28308. Financiering verstrekt door de U.S. DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences, Solar Photochemistry Program.
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 |
参考文献
- 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).
