微重力环境下高效太阳能制氢的实验方法

本方案包含在微重力环境下构建纳米结构光电极以实现高效光辅助产氢的逐步操作流程。同时，本方案还包含在不来梅落塔进行光电极测试的步骤，该装置可通过9.2秒的自由下落产生10的负6次方g的微重力环境。我们及其他研究团队均观察到，在微重力条件下，由于缺乏浮力作用，电化学反应产生的气泡会附着在电极表面。

催化剂产生催化热点，从而促进气泡脱离并提高整体效率。该操作流程将由我们柏林自由大学实验室的研究生 Omer Akay 演示。首先，使用银浆将 OMEC 接点粘附到一根细的镀铜导线上。

将导线穿入玻璃管中，并使用黑色耐化学腐蚀环氧树脂封装P型磷化铟样品，并将其密封至玻璃管上。在通风橱内，将P型磷化铟抛光后的铟面（0.5 平方厘米）浸入10 毫升溴/甲醇溶液中30秒，以刻蚀去除表面天然氧化层。随后分别用乙醇和超纯水冲洗表面各10秒，并在氮气流下吹干样品。

使用带有石英窗口的硼硅酸盐玻璃池作为光电化学池，并将P型磷化铟电极置于标准的三电极恒电位装置中。在预处理过程中，采用白光钨卤素灯照射样品。使用经校准的硅参考光电二极管调节光照强度。

用氮气吹扫盐酸后，在持续光照条件下，以50毫伏每秒的扫描速率进行50次循环的动电位循环，对样品进行光电化学预处理。在此过程中，采用阴影纳米球光刻技术在P型磷化铟电极上制备铑纳米结构。取300微升784纳米聚苯乙烯微球与300微升乙醇的预混液，其中乙醇含有1%（重量体积比）苯乙烯和0.1%硫酸。

使用带有弯曲尖端的巴斯德移液管将溶液滴加到水面上。轻轻转动培养皿以增大单晶结构的面积。小心地分散溶液，使六方密排单分子层覆盖50%的气-水界面。

使用Parafilm保护光电化学处理过的P型磷化铟电极的铜导线。小心地将电极用胶带固定在显微镜载玻片上，并将电极置于浮置的密排聚苯乙烯微球掩模下方。防止样品发生旋转。

之后，使用移液器轻轻去除残留的水分，并等待其干燥。这会使掩膜随后沉积到电极表面。然后将电极从培养皿中取出，并用氮气轻轻吹干表面。

将电极在氮气环境中置于干燥器内保存。为进行光电化学沉积铑纳米颗粒，将电极放入含有氯化铑、氯化钠和异丙醇的电解液中。使用恒电位仪，在钨碘灯同时照射的条件下，施加 0.01 伏的恒定电位，持续 5 秒。

然后用超纯水冲洗光电极，并在氮气 gentle 气流下吹干。为去除电极表面的聚苯乙烯小球，将电极置于含有 10 毫升甲苯的烧杯中，轻轻搅拌 20 分钟。随后，分别用丙酮和乙醇各冲洗电极 20 秒。

进行气体气泡研究时，将两台相机连接到每个光电化学池上，通过光学镜和分束器记录气体气泡的析出过程。将光电化学装置和相机安装在光学板上，并将其固定在胶囊的其中一个中间板上。其余的板用于安装其他设备，例如恒电位仪和快门控制器、光源以及板载计算机。

在胶囊底部电路板上连接电池电源，以在自由下落期间为实验装置供电。编写自动下落实验程序，用于在微重力环境中控制和执行实验步骤。保持实验处于自由下落状态，并在下落结束后维持45分钟的胶囊回收过程。

为研究样品上光辅助产氢性能，需进行循环伏安法和计时安培法测试。在循环伏安实验中，将两台电化学工作站的扫描速率设定在218毫伏每秒至235毫伏每秒之间，以获得光电流-电压测量的最佳分辨率。相对于银-氯化银参比电极，使用0.25伏至负0.3伏的电压范围。

采用初始电位为0.2伏特（相对于银-氯化银参比电极）和终止电位为0.2伏特（相对于银-氯化银参比电极）。在计时安培法测量中，利用所产生的微重力环境的时间尺度9.3秒，记录样品产生的光电流。施加相对于银-氯化银参比电极的负0.3伏特至负0.6伏特的电位范围，以比较所产生的光电流。

运行三次扫描循环。为比较记录的光电流电压测量值，选取每次实验的第二次扫描循环进行分析。从减速容器中取出胶囊后，移除胶囊保护罩。

从气动支架上取下样品，用超纯水冲洗，并在温和的氮气流下干燥。在进行光学和光谱表征之前，将样品保存在氮气氛围中。P型磷化铟表面在修饰前、溴/甲醇溶液刻蚀后以及盐酸中电化学循环后的轻敲模式原子力显微镜结果显示，刻蚀过程去除了表面残留的天然氧化层。

在盐酸中进行电化学循环会导致P型磷化铟的平带电位从0.56伏特偏移至0.69伏特，同时显著提高电池性能的填充因子。通过原子力显微镜（AFM）表面形貌图展示了P型磷化铟基底上沉积的聚苯乙烯微粒单层，以及沉积铑并去除聚苯乙烯微粒后的表面结构。采用阴影纳米球光刻技术，可在金属透明铑薄膜中形成具有均匀孔洞阵列的纳米级二维周期性铑结构。

高分辨率原子力显微镜图像展示了具有可识别铑晶粒的六方晶胞结构。电极表面三个位置的高度轮廓显示，铑网在P型磷化铟表面均匀分布，高度约为10纳米，形成催化层。在地面和微重力环境下，纳米结构P型磷化铟-铑光电极的光电流-电压特性及计时安培测量结果未显示出显著差异。

最重要的是，在实际关闭落管胶囊之前，应移除未拧紧的松动螺丝和电缆。残留的螺丝可能在自由下落过程中损坏实验装置和仪器。铑，可以导致形成不同的电催化纳米结构，从而产生不同的催化效率和条件。

在微重力环境中，情况很可能也是如此。微重力环境下高效光电化学制氢的实现，为空间中氧气和太阳能燃料的生产开辟了新途径，并可能促进长期太空旅行的实现。