Dynamisk, strekkbelastning påføres tio2 tynne filmer for å studere effekten av belastning på elektrokatalyse, spesielt protonreduksjon og vannoksidasjon. TiO2 filmer er utarbeidet ved termisk behandling av pseudo-elastisk NiTi legering (Nitinol).
Direkte endring av materialstruktur/funksjon gjennom belastning er et voksende forskningsområde som har gjort det mulig for nye egenskaper av materialer å dukke opp. Tuning materiale struktur kan oppnås ved å kontrollere en ekstern kraft pålagt materialer og indusere stress-belastning svar (det vil si å bruke dynamisk belastning). Elektroaktive tynne filmer er vanligvis deponert på form eller volum tunable elastiske underlag, hvor mekanisk lasting (f.eks. kompresjon eller spenning) kan påvirke filmstruktur og funksjon gjennom pålagt belastning. Her oppsummerer vi metoder for å anstrenge n-type dopet titandioksid (TiO2) filmer utarbeidet av en termisk behandling av en pseudo-elastisk nikkel-titanlegering (Nitinol). Hovedformålet med de beskrevne metodene er å studere hvordan belastning påvirker elektrokatalytiske aktiviteter av metalloksid, spesielt hydrogenevolusjon og oksygenutviklingsreaksjoner. Det samme systemet kan tilpasses for å studere effekten av belastning bredere. Strekkteknikk kan brukes til optimalisering av en materialfunksjon, samt for design av justerbare, multifunksjonelle (foto)elektrokatalytiske materialer under ekstern stresskontroll.
Evnen til å endre overflaten reaktivitet av katalytiske materialer ved å innføre belastning har blitt allmentanerkjent 1,2,3. Effekter av belastning i krystallinske materialer kan innføres enten ved å justere materialarkitektur (statisk belastning) eller ved å bruke en variabel ekstern kraft (dynamisk belastning). I krystallinske materialer kan statisk belastning innføres ved doping4, de-legering5,6,glødende 7, epitaxial vekst på en mismatched krystall gitter2 eller størrelse innesperring2,3. I polykrystallinske materialer kan belastning oppstå innenfor korngrenser på grunn av krystall twinning8. Å bestemme den optimale graden av statisk belastning med materialarkitekturer krever å designe en ny prøve for hvert diskret nivå av belastning, noe som kan være tidkrevende og dyrt. Videre introduserer innføring av statisk belastning ofte kjemiske eller ligand effekter9,10, noe som gjør det vanskelig å isolere belastningen bidrag. Bruk av en dynamisk belastning nøyaktig kontrollert av en ekstern kraft muliggjør systematisk justering av et materiales struktur / funksjonsforhold for å utforske et dynamisk område over belastningsrommet uten å introdusere andre effekter.
For å studere effekten av dynamisk belastning på elektrokatalyse, avsetter metaller eller metalloksider på elastisk form eller volum tunable underlag, for eksempel organiskepolymerer 11,,12,,13,,14,,15 eller legeringer16,,17. Anvendelser av mekanisk, termisk eller elektrisk belastning resulterer i bøying, kompresjon, forlengelse eller utvidelse av et elastisk substrat, noe som ytterligere induserer en stressbelastningsrespons på det avsatt katalytiske materialet. Så langt har katalysatorteknikk gjennom dynamisk belastning blitt utnyttet til å justere elektrokatalytiske aktiviteter av ulike metalliske og halvledende materialer. Eksempler inkluderer i) hydrogen evolusjonreaksjonen (HER) på MoS2, Au, Pt, Ni, Cu, WC11,12,13,14, ii) oksygen evolusjonsreaksjonen (OER) på NiOx16, nikkel-jernlegeringer18 og iii) oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR) på Pt, Pd12,15,19,20. I de fleste av disse rapportene ble organiske polymerer, som polymetylmetakrylat (PMMA), brukt som elastiske substrater. Vi har tidligere demonstrert anvendelsen av elastiske metalliske substrater, for eksempelrustfritt stål 16 og en superelastisk / form-minne NiTi legering (Nitinol17,21) for belastningsstudier. Nitinol har også blitt brukt som et elastisk substrat for avsetning av platinafilmer for ORR19 og avsetning av batteri katodematerialer for energilagring22,,23. På grunn av sin form minne og pseudoelastiske egenskaper, NiTi legeringer kan deformeres ved å bruke moderatvarme 19 eller mekaniskbelastning 17, henholdsvis. I motsetning til organiske elastiske substrater, krever metall underlag vanligvis ikke avsetning av vedheftsarrangører, er svært ledende og kan enkelt funksjonaliseres. Nitinol brukes som et mer elastisk alternativ til rustfritt stål (SS). Mens SS kan være reversibel anstrengt opp til 0,2%, nitinol kan reversibel anstrengt opp til 7%. Nitinol skylder sine unike egenskaper til en martensitisk solid state krystall transformasjon som tillater store elastiske deformasjoner24,25. Begge materialene er kommersielt tilgjengelige i forskjellige geometrier (f.eks. folier, ledninger og fjærer). Når de formes til elastiske fjærer, kan metallunderstrater brukes til å studere effekter av dynamisk belastning på elektrokatalyse uten behov for dyr instrumentering16; Det er imidlertid mer utfordrende å definere stressbelastningsresponsen enn for andre geometrier.
I tidligere eksperimentelle studier med overgangsmetallkatalysatorer har endringer i aktiviteter av katalytiske overflater under belastning blitt tilskrevet endringer i energien til d orbitals kjent som d-band teori26. I motsetning er effekten av belastning på metalloksider betydelig mer komplekse, da det kan påvirke bandgap, bærermobilitet, diffusjon og distribusjon av defekter og til og med direkte / indirekteoverganger 21,,27,,28,29,30,31. Her gir vi detaljerte protokoller for utarbeidelse og karakterisering av n-type dopet TiO2 tynne filmer, samt protokoller for å studere elektrocatalytiske aktiviteter av disse filmene under tunable, strekkbelastning. Det tilsvarende systemet kan brukes til å studere elektrokatlytiske aktiviteter av forskjellige materialer som en funksjon av dynamisk belastning.
Nitinol er et egnet elastisk substrat for å bruke mekanisk stress på tynne filmer. Den er kommersielt tilgjengelig, svært ledende og kan enkelt funksjonaliseres. Fremstilling av rutile TiO2 tynne filmer ved termisk behandling av nitinol, resulterer i svært n-type dopet TiO2. Det er viktig å understreke at NiTi/TiO2 er et unikt system der TiO2-filmer er utarbeidet ved termisk behandling av NiTi i stedet for en avsetningsmetode. Våre tidligere publikasjoner har vist at bela…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble utført av alle medforfattere, ansatte i Alliance for Sustainable Energy, LLC, leder og operatør av National Renewable Energy Laboratory for det amerikanske energidepartementet (DOE) under kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. Finansiering levert av US DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, og Biosciences, Solar Photochemistry Program.
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 |