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Research Article
Hanyu Zhang1, Eric E. Benson1, Kurt M. Van Allsburg2, Elisa M. Miller1, Drazenka Svedruzic3
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
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
A cepa dinâmica e detração é aplicada em tio 2 filmes finos para estudar os efeitos da tensão na eletrocatálise, especificamente redução de prótons e oxidação da água. Os filmes TiO2 são preparados pelo tratamento térmico da conectividade niti pseudo-elástica (Nitinol).
A alteração direta da estrutura/função do material através da cepa é uma área crescente de pesquisa que permitiu que novas propriedades dos materiais emergissem. A estrutura do material de ajuste pode ser alcançada controlando uma força externa imposta aos materiais e induzindo respostas de tensão de estresse (ou seja, aplicação de tensão dinâmica). Filmes finos eletroativos são normalmente depositados em substratos elásticos de forma ou volume, onde o carregamento mecânico (ou seja, compressão ou tensão) pode afetar a estrutura e a função do filme através da tensão imposta. Aqui, resumimos métodos para esticar filmes de dióxido de titânio dotado (TiO2)preparados por um tratamento térmico de uma liga pseudo-elástica de níquel-titânio (Nitinol). O principal objetivo dos métodos descritos é estudar como a tensão afeta as atividades eletrocatalínicas do óxido metálico, especificamente a evolução do hidrogênio e as reações da evolução do oxigênio. O mesmo sistema pode ser adaptado para estudar o efeito da tensão de forma mais ampla. A engenharia de tensão pode ser aplicada para otimização de uma função material, bem como para o design de materiais eletrocatalíticos ajustáveis e multifuncionais (foto)eletrocatalíticos sob controle externo de estresse.
A capacidade de alterar a reatividade superficial de materiais catalíticos por meio da introdução da cepa foi amplamente reconhecida1,,2,3. Os efeitos da tensão em materiais cristalinos podem ser introduzidos pelo ajuste da arquitetura do material(cepa estática)ou pela aplicação de uma força externa variável(tensão dinâmica). Em materiais cristalinos, a tensão estática pode ser introduzida por doping4, de-alloying5,6, annealing7, crescimento epitaxial em uma rede de cristal incompatível2 ou confinamento de tamanho2,3. Em materiais policristalinos, a cepa pode ocorrer dentro dos limites dos grãos devido ao twinning cristal8. Determinar o grau ideal de tensão estática com arquiteturas materiais requer projetar uma nova amostra para cada nível discreto de tensão, o que pode ser demorado e caro. Além disso, a introdução da tensão estática muitas vezes introduz efeitos químicos ou ligantes9,10, dificultando o isolamento da contribuição da tensão. A aplicação de uma cepa dinâmica precisamente controlada por uma força externa permite o ajuste sistemático da relação estrutura/função de um material, a fim de explorar um alcance dinâmico sobre o espaço de tensão sem introduzir outros efeitos.
Para estudar os efeitos da cepa dinâmica na eletrocatálise, metais ou óxidos metálicos são depositados em forma elástica ou substratos de volume tunable, como polímeros orgânicos11,,12,,13,,14,15 ou ligas16,,17. As aplicações de carga mecânica, térmica ou elétrica resultam em dobra, compressão, alongamento ou expansão de um substrato elástico, induzindo ainda mais uma resposta de tensão no material catalítico depositado. Até agora, a engenharia catalisadora através de cepas dinâmicas tem sido explorada para afinar atividades eletrocatalíticas de vários materiais metálicos e semicondutores. Exemplos incluem i) a reação de evolução do hidrogênio (HER) em MoS2, Au, Pt, Ni,, WC11,12,13,14, ii) a reação de evolução do oxigênio (OER) em NiOx16, ligas de níquel-ferro18 e iii) a reação de redução de oxigênio (ORR) em Pt, Pd12,,15,19,20. Na maioria desses relatos, polímeros orgânicos, como o metacrilato de polimetila (PMMA), foram utilizados como substratos elásticos. Anteriormente, demonstramos a aplicação de substratos metálicos elásticos, como aço inoxidável16 e uma liga NiTi superelástica/memória de forma (Nitinol17,21) para estudos de cepa. Nitinol também tem sido usado como um substrato elástico para deposição de filmes de platina para ORR19 e deposição de materiais de cathóde de bateria para armazenamento de energia22,23. Devido à sua memória de forma e propriedades pseudoelásticas, as ligas NiTi podem ser deformadas aplicando calor moderado19 ou tensão mecânica17, respectivamente. Em contraste com substratos elásticos orgânicos, substratos metálicos normalmente não requerem deposição de promotores de adesão, são altamente condutores e podem ser facilmente funcionais. Nitinol é usado como uma alternativa mais elástica ao aço inoxidável (SS). Enquanto a SS pode ser revertivelmente tensa até 0,2%, o nitinol pode ser revertivelmente tenso até 7%. Nitinol deve suas propriedades únicas a uma transformação de cristal de estado sólido martensítico que permite grandes deformações elásticas24,25. Ambos os materiais estão disponíveis comercialmente em diferentes geometrias (por exemplo, folhas, fios e molas). Quando moldados em molas elásticas, substratos metálicos podem ser usados para estudar efeitos da tensão dinâmica na eletrocatálise sem a necessidade de instrumentação cara16; no entanto, definir a resposta de tensão de estresse é mais desafiador do que para outras geometrias.
Em estudos experimentais anteriores com catalisadores metálicos de transição, mudanças nas atividades de superfícies catalíticas sob tensão foram atribuídas a mudanças na energia dos orbitais d coloquialmente conhecidas como teoria da banda D26. Em contrapartida, os efeitos da tensão sobre os óxidos metálicos são significativamente mais complexos, pois podem afetar bandgap, mobilidade portadora, difusão e distribuição de defeitos e até transições diretas/indiretas21,27,,28,,29,,30,,31. Aqui fornecemos protocolos detalhados para a preparação e caracterização de filmes finos do tipo N Dopados TiO2, bem como protocolos para estudar atividades eletrocatalíticas desses filmes sob tensão de tração. O sistema equivalente pode ser aplicado para estudar atividades eletrocatalíticas de diferentes materiais em função da tensão dinâmica.
1. Preparação de eletrodos NiTi/TiO2
2. Realização de medições eletroquímicas sob tensão
3. Controles
4. Caracterização superficial
As folhas niti pré-tratadas são oxidadas a 500 °C em condições aeróbicas(Figura 1). Devido à natureza oxofílica do titânio, a calcinação a temperaturas elevadas resulta em uma camada superficial de rutile TiO2. A espessura da camada e o grau de doping do tipo N são afetados pelo tempo de renascimento e temperatura, o que se reflete na mudança de cor do cinza (amostra não tratada) para azul/roxo uniforme após 20 min de aquecimento(Figura 2). O tempo de aquecimento mais longo resulta em filmes mais grossos do TiO2 (60 min para filmes de 100 nm) e é acompanhado por perda gradual da cor azul/roxo. Filmes mais espessos de TiO2 mostram eletroquímica análoga, mas são mais propensos a fissuras superficiais e, portanto, perda na elasticidade do filme.

Figura 1: Escaneando imagens de microscopia eletroquímica de filmes NiTi polidos (esquerda) e oxidados (à direita). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Folha de niti aquecida a 500 °C no ar por diferentes períodos de tempo. A figura mostra mudanças de cor características. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O comportamento nitinol sob estresse térmico e mecânico reflete a transformação de fase de estado sólido reversível conhecida como transformação martensítica, entre duas fases diferentes de cristal martensite, tornando-o um pseudo-elástico em vez de um material elástico. Uma típica curva de tensão de estresse de niti/tio2 amostras é dada na Figura 3. Observe que a forma da folha é retangular e não especificamente moldada para testes mecânicos, o que pode resultar em distribuição de estresse não uniforme do centro da amostra para a seção da amostra fixa. No entanto, a caracterização eletroquímica das folhas tensas é conduzida com apenas uma pequena seção de folha niti/tio2 posicionada no meio (ver texto adicional). Uma suposição é feita de que dentro desta pequena superfície o estresse aplicado é uniforme.

Figura 3: Curva típica de tensão de estresse para a folha niti/tio2 (1 cm x 5 cmstrip). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para medir efeitos da tensão sobre propriedades eletrocatalínicas de diferentes materiais, células eletroquímicas de compartimento único ou duplo são personalizadas. A Figura 4 mostra a célula eletroquímica com o cátodo e o compartimento do ânodo. Se o foco estiver apenas na caracterização eletroquímica em vez da coleção do produto (H2 e/ou O2),as células compartimentais duplas e a separação da membrana não são necessárias para experimentos HER e OER. O tamanho do cátodo é limitado por uma abertura na célula eletroquímica (Figura 5) que permite a exposição da folha niti/tio2 ao eletrólito. Portanto, embora uma grande fração de folha NiTi/TiO 2 esteja exposta à tensão,apenas um pequeno círculo (ou seja, 5 mm de diâmetro) no meio da folha sofre eletrocatálise. O volume de eletrodos de trabalho deve ser mantido relativamente pequeno em relação à superfície de um eletrodo de contador para minimizar os efeitos da resistência solvente.

Figura 4: Duas células compartimentos. (A) O esquema que mostra os componentes individuais. (B) A célula montada no testador para a aplicação da tensão de tração. A célula foi instalada nas proximidades do cromatógrafo gasoso para análise de produtos gasosos. Esta figura ilustra como o testador pode ser facilmente montado para trabalhar em conjunto com outras instrumentações. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: A célula de compartimento único usada para experimentos HER e OER. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Normalmente, os primeiros experimentos incluem CV ou LSV (Figura 6A,B). Esses experimentos são importantes para a compreensão do sistema eletroquímico, como as faixas farádicas versus não-farádicas. Outra caracterização eletroquímica pode incluir impedância eletroquímica para estudar alterações nas reativações da superfície do eletrodo com cepa(Figura 6C). A amperometria ou cronoamperometria pode ser usada para estudar a estabilidade do sistema e produtos acumulados. A cromatografia gasosa pode ser usada para detectar h2 (cátodo) ou O2 (ânodo) produzido.

Figura 6: Dados representativos do LSV e do EIS. (A) Experimentos LSV mostrando-o em niti/tio2 filmes em ácido sulfúrico de 0,5 M a uma taxa de varredura de 50 mV/s. (B) Experimentos LSV mostrando OER em NiTi/TiO2 filmes em hidróxido de sódio de 1 M a uma taxa de varredura de 50 mV/s. (C) Impedância eletroquímica a −0,38 V vs. RHE de 1 Hz a 100 kHz (parcelas de Nyquist). (D) Experimentos LSV em ácido sulfúrico de 0,5 M a uma taxa de varredura de 50 mV/s com os filmes TiO2 propositalmente rachados. Este número foi modificado a partir de Benson et al17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A aplicação de estresse mecânico que excede um limite elástico material leva a rearranjos de grãos e rachaduras da superfície do material, o que poderia aumentar as atividades eletrocatalíticas simplesmente aumentando a superfície eletroativa global ou expondo facetas de cristal mais catalicamente ativas ou defeitos32. Nesses casos, a tensão dinâmica afetaria apenas o rearranjo dos grãos, o que é diferente das mudanças reais na arquitetura de materiais atômicos ou nanoescala. Para excluir efeitos não lasticos nas atividades eletrocatalínicas, vários experimentos de controle são realizados. Primeiro, para determinar se os aumentos nas atividades de HER e OER são simplesmente devido ao aumento da superfície eletroativa, as medidas de capacitância são feitas em diferentes valores de tensão. Com base na expressão Randles-Sevcik33,as parcelas de taxas de varredura versus correntes são lineares e as encostas correspondem à capacitância da camada dupla. Se um aumento na superfície eletroativa dos dados de capacitância for significativamente menor do que o aumento das atividades eletrocatalíticas HER ou OER, pode-se presumir que a fissura da superfície simples devido ao rearranjo de grãos não é o único (se houver) contribuinte para os efeitos da tensão nas atividades eletrocatalííticas. Os resultados e análises de capacitância representativas são dados na Figura 7.

Figura 7: Medidas de capacitância. (A) Parcela da taxa atual vs scan de voltamogramas cíclicos coletados dentro de 50 mV do OCV para tini/tio2 eletrodos tensos de 0 a 7%, onde a inclinação representa a capacitância da camada dupla. (B) O enredo mostra alterações na capacitância com a tensão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para determinar ainda mais se as alterações nas eletroatividades com tensão são devido à deformação elástica ou inelástica sob estresse de tração aplicada, os experimentos são conduzidos com filmes TiO2 impecáveis e propositadamente rachados. Quando 7% da cepa é imposta aos filmes NiTi/TiO2, as fissuras superficiais são claramente visíveis em imagens SEM(Figura 8). Os filmes que foram intencionalmente rachados não apresentaram alterações consideráveis na atividade eletroquímica com tensão crescente, provavelmente devido à perda de propriedades elásticas(Figura 6D). Amostras que foram propositadamente rachadas mostram apenas pequenos aumentos nas atividades de HER dentro da faixa de tensão de 0-3%, e esses aumentos são irreversíveis, enquanto amostras intocadas mostram efeitos significativamente maiores e reversíveis dentro da faixa de tensão de 0-3%.

Figura 8: Imagem SEM das folhas tini/tio2 rachadas propositalmente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Quando os experimentos de caracterização da superfície são feitos com instrumentação que requerem o gabinete da amostra (ou seja, o vácuo é necessário), a maca de tração não pode ser diretamente conectada à amostra, a fim de mantê-la sob uma cepa definida. Nestes casos, são utilizados suportes de amostras personalizados, onde o tamanho e a geometria são adaptados para diferentes instrumentação(Figura 9).

Figura 9: Os suportes de amostra usados para "bloquear" a folha NiTi/TiO2 sob tensão para experimentos de caracterização de superfície. A figura mostra diferentes tamanhos e geometrias. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O tratamento térmico em nitinol normalmente leva à estrutura rutile TiO2. Raman e XPS mostram sinais característicos para os filmes finos Rutile TiO2 34,35, como mostrado na Figura 10. Especificamente, para os filmes de tio2 dopados altamente n, a tensão de 0-5% afeta principalmente a distribuição de vagas de oxigênio em vez da estrutura de cristal TiO2, o que não leva a mudanças significativas no espectro XPS21.

Figura 10: Caracterização superficial de TiO2 filmes finos. (A) Raman picos característicos de Rutile TiO2. (B) Medições xps mostrando espectros para átomos de superfície de oxigênio e titânio. Este número foi modificado a partir de Benson et al.21. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não declaram interesses concorrentes.
A cepa dinâmica e detração é aplicada em tio 2 filmes finos para estudar os efeitos da tensão na eletrocatálise, especificamente redução de prótons e oxidação da água. Os filmes TiO2 são preparados pelo tratamento térmico da conectividade niti pseudo-elástica (Nitinol).
Este trabalho foi conduzido por todos os coautores, funcionários da Alliance for Sustainable Energy, LLC, gerente e operador do Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA (DOE) sob o Contrato Nº. DE-AC36-08GO28308. Financiamento fornecido pelo DOE dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciências Químicas, Geociências e Biociências, Programa de Fotoquímica Solar.
| 2-Propanol | Sigma Aldrich | 109634 | |
| Ag / AgCl (3M NaCl) Eletrodo de referência | BASi | MF-2052 | |
| Eletrodo de referência alcalino | Basi | EF-1369 | |
| Álcool etílico, puro, 200 provas, anidro, = 99,5% | Sigma Aldrich | 459836 | |
| MT I I / F u l l am Instrumentos | MTI | da série SEMTester||
| Folha de nitinol, 0,05 mm (0,002 pol) de espessura, superelástica, recozida plana, superfície em conserva | Kit de polimento de eletrodoAlfa Aesar | 45492 | |
| PK-4 | BASi | MF-2060 | |
| Potenciostato 600D | Instrumentos CHI | 600D | |
| Fio Pt | Sigma Aldrich | 267228-1G | |
| Hidróxido de sódio | Sigma Aldrich | 221465 | |
| Ácido sulfúrico | Sigma Aldrich | 30743 |