Experimentelle Methoden zur effizienten Solarhydrogenproduktion in der Mikrogravitationsumgebung

Dieses Protokoll enthält ein schrittweises Verfahren zur Herstellung nanostrukturierter Photoelektroden für eine effiziente lichtunterstützte Wasserstoffproduktion in Umgebungen der Schwerelosigkeit. Es beinhaltet auch ein Elektroden-Testverfahren, wie diese Photoelektroden am Bremer Drop Tower getestet werden können, wo 10 bis minus sechs g in 9,2 Sekunden freien Fall erzeugt werden können. Es wird von uns und anderen Forschungsteams beobachtet, dass elektrochemisch erzeugte Gasblasen bei Schwerelosigkeit an der Elektrodenoberfläche kleben, da kein Auftrieb besteht.

Katalysator erzeugt katalytische Hotspots, die die Ablösung von Gasblasen und die Gesamteffizienz verbessern. Die Verfahren werden von Omer Akay, einem Doktoranden in unserem Labor an der FU Berlin, demonstriert. Wenden Sie zunächst Silberpaste an, um den OMEC-Kontakt an einem dünn vergoldeten Kupferdraht zu befestigen.

Verfädeln Sie den Draht in ein Glasrohr und verwenden Sie schwarzes chemikalienbeständiges Epoxid, um die P-Typ-Indiumphosphidprobe zu verkapseln und mit dem Glasrohr zu versiegeln. Unter einer Dunstabzugshaube legen Sie die 0,5 Quadratzentimeter polierte Indiumfläche von P-Typ-Indiumphosphid in 10 Milliliter Brom/Methanol-Lösung für 30 Sekunden zum Entfernen nativer Oxide. Dann spülen Sie die Oberfläche mit Ethanol und Reinstwasser für jeweils 10 Sekunden und trocknen Sie die Probe unter Stickstofffluss.

Verwenden Sie eine Borosilikatglaszelle mit einem Quarzfenster als photoelektrochemische Zelle und legen Sie die P-Typ-Indiumphosphidelektrode in der Zelle in eine standardmäßige potentiostatische Anordnung von Dreielektroden. Verwenden Sie eine weiße Licht Wolfram Halogenlampe, um die Probe während des Konditionierungsvorgangs zu beleuchten. Passen Sie die Lichtintensität mit einer kalibrierten Silizium-Referenz-Photodiode an.

Nach dem Reinigen der Salzsäure mit Stickstoff konditionieren Sie die Probe photoelektrochemisch mit potentiodynamischem Zyklus bei einer Scanrate von 50 Millivolt pro Sekunde für 50 Zyklen unter kontinuierlicher Beleuchtung. In diesem Verfahren wird die Schatten-Nanosphären-Lithographie zur Bildung von Rhodium-Nanostrukturen auf der P-Typ-Indiumphosphidelektrode angewendet. Erhalten Sie eine fertige Mischung aus 300 Mikrolitern 784 Nanometer Polystyrolperlen und 300 Mikroliter Ethanol, die ein Gewichtsvolumen prozents Styrol und 0,1% Schwefelsäure enthalten.

Verwenden Sie eine Pasteur-Pipette mit einer gekrümmten Spitze, um die Lösung auf die Wasseroberfläche aufzutragen. Drehen Sie die Petrischale sanft, um die Fläche der monokristallinen Strukturen zu vergrößern. Verteilen Sie die Lösung sorgfältig, um 50% der Luft-Wasser-Schnittstelle mit einer sechseckig geschlossenen verpackten Monoschicht abzudecken.

Schützen Sie den Kupferdraht der photoelektrochemisch konditionierten P-Typ-Indiumphosphidelektroden mit Parafilm. Tape sie vorsichtig auf ein Mikroskop-Dia und legen Sie die Elektroden unter die schwimmende dicht verpackte Polystyrol-Kugelmaske. Verhindern Sie, dass sich die Proben drehen.

Danach verwenden Sie eine Pipette, um das Restwasser vorsichtig zu entfernen und darauf zu warten, dass es trocknet. Dadurch wird die Maske anschließend auf die Elektrodenoberfläche abgelagert. Dann nehmen Sie die Elektrode aus der Petrischale und trocknen Sie die Oberfläche vorsichtig mit Stickstoff.

Die Elektrode unter Stickstoff in einem Trockenhaus lagern. Um rhodinisch zu lagern, legen Sie die Elektrode in eine Elektrolytlösung, die Rhodiumchlorid, Natriumchlorid und Isopropanol enthält. Mit einem Potentiostat, wenden Sie ein konstantes Potenzial von 0,01 Volt für fünf Sekunden unter gleichzeitiger Beleuchtung mit einer Wolfram-Jod-Lampe.

Dann spülen Sie die Photoelektrode mit Reinstwasser ab und trocknen Sie sie unter einem sanften Stickstofffluss. Um die Polystyrolkugeln von der Elektrodenoberfläche zu entfernen, legen Sie die Elektroden in ein Becherglas mit 10 Milliliter Toluin und rühren Sie sie vorsichtig für 20 Minuten. Anschließend die Elektrode mit Aceton und Ethanol jeweils 20 Sekunden abspülen.

Für Gasblasenuntersuchungen befestigen Sie zwei Kameras an jeder photoelektrochemischen Zelle, um die Gasblasenentwicklung über optische Spiegel und Strahlspalter aufzuzeichnen. Montieren Sie das photoelektrochemische Setup und die Kameras auf einer optischen Platine und befestigen Sie sie an einem der mittleren Boards der Kapsel. Verwenden Sie die restlichen Boards für die Montage von zusätzlichen Geräten wie Potentiostaten und Verschlussregler, Lichtquellen und dem Board-Computer.

Schließen Sie eine Batterieabdeckung an der unteren Platine der Kapsel an, um das Setup im freien Fall mit Strom zu versorgen. Schreiben Sie eine automatisierte Fallsequenz für die experimentellen Schritte, die in der Mikrogravitationsumgebung gesteuert und durchgeführt werden sollen. Halten Sie das Experiment im freien Fall sowie die 45-minütige Kapselerholung nach dem Tropfen aufrecht.

Um die lichtunterstützte Wasserstoffproduktion an den Proben zu untersuchen, führen Sie zyklische Voltammetrie und Chronoampemetrie durch. Richten Sie in Zyklon-Voltmetrie-Experimenten Scanraten für die beiden Potentiostaten mit 218 Millivolt pro Sekunde bis 235 Millivolt pro Sekunde ein, um optimale Auflösungen bei Photostromspannungsmessungen zu erreichen. Verwenden Sie Spannungsbereiche von 0,25 Volt bis minus 0,3 Volt im Vergleich zur Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode.

Verwenden Sie das Anfangspotential bei 0,2 Volt verus der Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode und ein Finishing-Potenzial bei 0,2 Volt im Vergleich zu Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode. Verwenden Sie bei der chronoamperometrischen Messung die Zeitskala der erzeugten Mikrogravitationsumgebung 9,3 Sekunden, um den von der Probe erzeugten Fotostrom aufzuzeichnen. Wenden Sie potenzielle Bereiche von negativen 0,3 Volt auf negative 0,6 Volt im Vergleich zu Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode an, um produzierten Photostrom zu vergleichen.

Führen Sie drei Scanzyklen aus. Um die aufgezeichneten Photostromspannungsmessungen zu vergleichen, nehmen Sie den zweiten Scanzyklus jedes Experiments zur Analyse. Nach dem Abrufen der Kapsel aus dem Verzögerungsbehälter entfernen Sie den Kapselschutzschirm.

Entfernen Sie die Proben aus dem pneumatischen Stativ, spülen Sie sie mit Reinstwasser ab und trocknen Sie sie unter schonendem Stickstofffluss. Bewahren Sie sie unter Stickstoffatmosphäre auf, bis optische und spektroskopische Untersuchungen durchgeführt werden. Tapping-Modus Atomkraftmikroskopie der P-Typ-Indiumphosphid-Oberfläche vor der Modifikation, nach Ätzen in Brom/Methanol-Lösung, und nach elektrochemischem Zyklus in Salzsäure zeigen das Ätzverfahren entfernt das native Oxid auf der Oberfläche verbleiben.

Das elektrochemische Radfahren in Salzsäure bewirkt eine erhebliche Erhöhung des Füllfaktors der Zellleistung, begleitet von einer Flachbandverschiebung des P-Typ-Indiumphosphids von 0,56 Volt auf 0,69 Volt. Die abgelagerte Polystyrolpartikelmonoschicht auf dem P-Typ-Indiumphosphidsubstrat und die Oberfläche nach Ablagerung von Rhodium und Entfernung der Polystyrolpartikel werden durch AFM-Topographie gezeigt. Die Anwendung der Schatten-Nanosphären-Lithographie führt zu einer nanoskangroßen zweidimensionalen periodischen Rhodiumstruktur mit einer homogenen Lochanordnung im metallisch transparenten Rhodiumfilm.

Das hochauflösende AFM-Bild veranschaulicht die sechseckige Einheitszellstruktur mit erkennbaren Rhodiumkörnern. Das Höhenprofil von drei Flecken auf der Elektrodenoberfläche zeigt, dass das Rhodiumnetz homogen auf der P-Typ-Indiumphosphidoberfläche mit einer Höhe von etwa 10 Nanometern verteilt ist und eine katalytische Schicht bildet. Die photostromförmigen Spannungseigenschaften und chronoamperometrischen Messungen nanostrukturierter Indiumphosphid-Rhodiumphotoelektroden in terrestrischen und mikrogrardischen Umgebungen weisen keine signifikanten Unterschiede auf.

Am wichtigsten ist, bevor Sie die Tropfenkapsel tatsächlich schließen, entfernen Sie lose Schrauben und Kabel, die nicht angezogen werden. Verbleibende Schrauben können das Versuchsaufbau und die Instrumente im freien Fall zerstören. rhodium, könnte man dies zu verschiedenen elektrokatalytischen Nanostrukturen führt, was zu unterschiedlichen Wirkungsbedingungen führt.

Dies ist höchstwahrscheinlich der gleiche Fall in Umgebungen mit Schwerelosigkeit. Die Demonstration einer effizienten photoelektrochemischen Wasserstoffproduktion in der Schwerelosigkeit eröffnet neue Wege für die Produktion von Sauerstoff und Solarbrennstoffen im Weltraum und könnte zur Realisierung langfristiger Raumfahrt beitragen.