Methodenartikel

Experimentele methoden voor efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de omgeving van microzwaartekracht

DOI:

10.3791/59122

⸱

3 december 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, 2European Space Agency/ ESTEC, 3Department of Physics, Freie Universitat Berlin, 4Applied Physics and Sensors, Brandenburg University of Technology Cottbus, 5Resnick Sustainability Institute, California Institute of Technology, 6NG Next, Northrop Grumman Corporation, 7Division of Engineering and Applied Science and Joint Center for Artificial Photosynthesis, California Institute of Technology, 8International Academy of Optoelectronics at Zhaoqing, South China Normal University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De efficiënte Solar-waterstofproductie is recentelijk gerealiseerd op Gefunctionaliseerde halfgeleider-electrocatalyst-systemen in een fotoelektrochemische halfcel in de micro zwaartekrachtomgeving bij de Bremen drop Tower. Hier rapporteren we de experimentele procedures voor het vervaardigen van het halfgeleider-electrocatalyst-apparaat, Details van de experimentele opstelling in de druppel capsule en de experimentele sequentie tijdens vrije val.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Lange-termijn ruimtevluchten en CIS-Lunar onderzoeksplatforms vereisen een duurzame en lichte levensondersteunende hardware die betrouwbaar kan worden gebruikt buiten de atmosfeer van de aarde. Zogenoemde "Solar Fuel"-apparaten, die momenteel zijn ontwikkeld voor terrestrische toepassingen in de zoektocht naar het realiseren van een duurzame energie-economie op aarde, bieden veelbelovende alternatieve systemen voor bestaande luchtrevitalisatie units die werkzaam zijn op de internationale ruimte Station (ISS) door fotoelektrochemische watersplijtende en waterstofproductie. Een obstakel voor water (foto-) elektrolyse in omgevingen met een verminderde zwaartekracht is de afwezigheid van drijfvermogen en de daaruit voortvloeiende, belemmerende gasbellen van het elektrode oppervlak. Dit zorgt ervoor dat de vorming van gas Bubble schuimlagen in de nabijheid van het elektrode oppervlak, wat leidt tot een toename van a ohms weerstand en celefficiëntie verlies als gevolg van verminderde massaoverdracht van substraten en producten van en naar de elektrode. Onlangs hebben we een efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de microzwaarte kracht omgeving aangetoond, met behulp van een geïntegreerd halfgeleider-elektrokatalytiesysteem met p-type indium fosfide als de licht demper en een Rhodium elektro katalysator. Door de elektro katalysator te nanostructureren met behulp van Shadow permanente lithografie en daardoor katalytische ' hotspots ' op het fotoelektrode oppervlak te creëren, konden we de gasbellen coalescentie en Mass Transfer-beperkingen overwinnen en efficiënte waterstof laten zien productie bij hoge stroom dichtheden in een gereduceerde zwaartekracht. Hier worden de experimentele details beschreven voor de voorbereidingen van deze nanogestructureerde apparaten en verder, de procedure voor het testen in Microgravity Environment, gerealiseerd bij de Bremen drop Tower gedurende 9,3 s vrije val.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Onze atmosfeer op aarde wordt gevormd door oxygenieke fotosynthese, een 2.300.000.000-jaar oud proces dat zonne-energie omzet in energierijke koolwaterstoffen, zuurstof als bijproduct vrijgeeft en water en CO2 als substraten gebruikt. Momenteel worden kunstmatige fotosynthetische systemen volgens het concept van de energieke Z-regeling van katalyse en lading overdracht in natuurlijke fotosynthese gerealiseerd in halfgeleider-elektro katalysatorsystemen, waaruit tot nu toe een conversie-efficiëntie van zonne-energie tot waterstof van 19%1,2,3blijkt. In deze systemen worden halfgeleider materialen gebruikt als licht Brekers die zijn bekleed met een dunne, transparante laag van elektro katalysatoren4. Intensief onderzoek op dit gebied wordt bevorderd door de wereldwijde zoektocht naar hernieuwbare energiesystemen met waterstof-en lange-keten-koolwaterstoffen die uitstekende kandidaten maken voor een alternatieve brandstofvoorziening. Vergelijkbare obstakels worden ook geconfronteerd met ruimtemissies voor de lange termijn, waar een herbevoorrading van grondstoffen van de aarde niet mogelijk is. Een betrouwbare levensondersteunende hardware is vereist, met een efficiënte luchtrevitalisatie-eenheid die ongeveer 310 kg zuurstof per bemanningslid per jaar levert, niet in de administratie voor buitenactiviteiten5. Een efficiënt zonnewater splitsings apparaat, dat zuurstof en waterstof kan produceren of de koolstofdioxide-zonne-energie verlaagt en in een monolithisch systeem zou een alternatieve, lichtere route bieden voor de momenteel toegepaste technologieën op het ISS: de luchtrevitalisatie unit bestaat uit een gescheiden systeem met een alkalische elektrolyt, een Solid amine kooldioxide concentrator en een Sabatierreactor voor de reductie

Ongekend, realiseerden we een efficiënte productie van zonne-energie in Microgravity Environment, voorzien door een 9,3 s tijdens Free-Fall bij de Bremen drop Tower (ZARM, Duitsland)6. Met behulp van p-type indium fosfide als halfgeleidende licht-Absorber7,8 bekleed met een nanogestructureerde Rhodium elektro katalysator, we overkwamen substraat en product massaoverdracht beperkingen van en naar het fotoelektrode oppervlak, wat een obstakel in verminderde zwaartekracht omgevingen als gevolg van de afwezigheid van drijfvermogen9,10. De toepassing van Shadow permanente lithografie11,12 direct op het fotoelektrode oppervlak liet de vorming van rhodium katalytische ' hotspots ' toe, waardoor waterstofgas Bubble coalescentie en de vorming van een schuim laag in de nabijheid van het elektrode oppervlak werden voorkomen.

Hierin bieden we experimentele Details van de p-INP-fotoelektrode voorbereiding, inclusief oppervlakte etsen en conditionering, gevolgd door de toepassing van Shadow permanente lithografie op het elektrode oppervlak en de fotoelectrodepositie van rhodium nanodeeltjes door de polystyreen bollen. Bovendien wordt de experimentele opstelling in de drop capsule in de Bremen drop Tower beschreven en worden details van de experimentele sequentie tijdens de 9,3 s van vrije val verstrekt. Sample aflevering en handling voor en na elke druppel worden geschetst, evenals de voorbereiding van de drop capsule en de apparatuur om verlichtingsbronnen, potentiostats, sluiter besturingselementen en videocamera's te bedienen na commando.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bereiding van p-InP foto elektroden

  1. Gebruik één kristal p-InP (oriëntatie (111 A), Zn doping concentratie van 5 × 1017 cm-3) als de foto breker. Voor de voorbereiding van het rugcontact, damp 4 nm au, 80 nm Zn en 150 Nm au op de achterzijde van de wafer en verwarm deze tot 400 °C voor 60 s.
  2. Breng AG paste aan om het a ohms contact aan een dun vergulde cu draad te bevestigen. Rijg de draad in een glazen buis, inkapen het monster en verzegelen het aan de glazen buis met behulp van zwart, chemisch resistent epoxy.
  3. Om inheemse oxiden te verwijderen, etch de 0,5 cm2 gepolijst indium gezicht van p-INP voor 30 s in 10 ml Broom/methanoloplossing (0,05% w/v), spoel het oppervlak met ethanol en ultrapuur water voor 10 s per stuk en droog het monster onder stikstof flux. Bereid de oplossingen voor van ultrapuur water en analytische chemicaliën met een organisch onzuiverheid niveau onder 50 ppb.
    Let op: Broom veroorzaakt acute toxiciteit bij inademing, huidcorrosie en acute aquatische toxiciteit. Draag beschermende uitrusting zoals veiligheidsbril, handschoenen en Labcoat. Werk onder de dampkap. Methanol is ontvlambaar, veroorzaakt acute toxiciteit (oraal, dermaal en inhalatie) en is bekend dat het specifieke doelorgaantoxiciteit veroorzaakt. Draag beschermende uitrusting zoals een veiligheidsbril, handschoenen en een Labcoat. Werk onder de dampkap.
  4. Vervolgens, voorwaarde de p-InP-elektrode fotoelektrochemisch in een standaard drie-elektrode potentiostatische indeling. Gebruik een borosilicaatglascel met een kwarts venster als fotoelektrochemische cel om het monster te verlichten met een wit-licht wolfraam halogeen lamp (100 mW/cm2) tijdens de procedure.
  5. Pas de lichtintensiteit aan met een gekalibreerde silicium referentie fotodiode.
  6. Bereid een 0,5 M HCl-oplossing en verwijder deze in de fotoelektrochemische cel met stikstof van 5,0 zuiverheid gedurende 15 minuten.
  7. Gebruik potentiodynamic Cycling tussen-0,44 V und + 0,31 V bij een scansnelheid van 50 mV s-1 voor 50 cycli naar fotoelektrochemisch conditie van het monster onder continue verlichting.
    Let op: zoutzuur veroorzaakt ernstig oogletsel, huidcorrosie en is corrosief voor metalen. Bovendien bezit het specifieke doelorgaantoxiciteit na eenmalige blootstelling. Draag beschermende uitrusting zoals een veiligheidsbril, handschoenen en een Labcoat. Werk onder de dampkap.

2. fabricage van rhodium nanostructuren

  1. Gebruik Shadow permanente lithografie (SNL)11,12 voor de vorming van rhodium nanostructuren op de p-INP foto-elektrode. Om de piepschuim maskers op de p-InP-elektrode te maken, verkrijgt u mono-verspreide kralen van polystyreen (PS) formaat 784 Nm bij een concentratie van 5% (w/v) en los ze op in ultrapuur water.
  2. Om het eindvolume van 600 μL te verkrijgen, meng u 300 μL van de polystyreen kraal dispersie met 300 μL ethanol met 1% (g/v) styreen en 0,1% zwavelzuur (v/v).
  3. Breng de oplossing op het wateroppervlak aan met een Pasteur-pipet met een gebogen punt. Om het gebied van de monokristallijne structuren te verhogen, draai de Petri schaal zachtjes. Verdeel de oplossing zorgvuldig over 50% van de lucht-water-interface met een HCP-monolayer. Laat plaats voor stress ontspanning en Vermijd het vormen van scheuren in het rooster tijdens de volgende voorbereidingsstappen.
  4. Bescherm de cu draad van de fotoelektrochemisch geconditioneerde p-InP-elektroden met parafilm. Plaats ze subtiel onder het zwevende, gesloten verpakte PS Sphere Mask door ze zorgvuldig aan een Microscoop-dia te koppelen, waardoor de monsters niet kunnen roteren. Verwijder het restwater voorzichtig met een pipet en door verdamping, waardoor het masker vervolgens op het elektrode oppervlak wordt gestort.
  5. Haal de elektrode uit de Petri schaal en droog het oppervlak voorzichtig met N2. Bewaar de elektrode onder stikstof tot Rhodium fotoelektrodepositie (bijv. in een exsiccator).
    Opmerking: het protocol kan hier tot een week worden onderbroken.

3. photoelectrodepositie van rhodium nanodeeltjes

  1. Voor de fotoelektrochemische storting van rhodium nanodeeltjes via het PS Sphere Mask, plaats de elektrode in een elektrolytoplossing met 5 mM RhCl3, 0,5 M nacl en 0,5% (v/v) 2-propanol en breng een constant potentiaal van vdep = + 0,01 v voor 5 sec. onder gelijktijdige verlichting met een W-I lamp (100 MW/cm2). Elektrochemische specificaties zoals de elektrochemische cel, referentie en contra-elektrode zijn hetzelfde als voor de fotoelektrochemische conditionerings procedure.
  2. Spoel de foto-elektrode af met ultrapuur water en droog deze onder een zachte stroom van N2.
  3. Om de PS-bollen uit het elektrode oppervlak te verwijderen, plaatst u de elektroden gedurende 20 minuten onder zachtjes roeren in een bekerglas met 10 mL tolueen (de elektrode moet bedekt zijn met tolueen). Spoel vervolgens de elektrode met aceton en ethanol voor 20 s per stuk.
  4. Verwijder resterende koolstof van het oppervlak door O2-plasma reiniging gedurende 6 minuten bij een proces druk van 0,16 mbar, 65 W en gasinflows van o2 en AR van respectievelijk 2 SCCM en 1 SCCM.
  5. Bereid de monsters tot een week voorafgaand aan de tests in de druppel toren en bewaar ze tot de experimenten onder N2 atmosfeer in het donker (bijv. in een handschoenentas of desiccator).
    Opmerking: het protocol kan hier worden onderbroken voor ongeveer 1-2 weken.

4. fotoelektrochemische experimenten in microzwaartekracht

  1. Voor de experimenten in het Microgravity Environment, neem contact op met een van de belangrijkste drop Tower-faciliteiten (bv. het centrum van de toegepaste ruimtevaarttechnologie en de Microgravity (ZARM), Bremen Duitsland).
    Let op: door een katapult-systeem te hebben, kan 9,3 s van de Microgravity Environment worden gegenereerd bij ZARM met een benaderde minimale g-niveau van ongeveer 10-6 m · s-2 13. Een hydraulisch bediende pneumatische zuiger cilinder systeem wordt gebruikt om de druppel capsule (Figuur 1A) naar boven te lanceren vanaf de onderkant van de toren. De capsule wordt weer vertraagd in een container die tijdens de vrije val op het cilinder systeem wordt geplaatst.
  2. Gebruik een twee-compartiment fotoelektrochemische cel (vulvolume van elke cel: 250 mL) voor de foto-elektrochemische experimenten om twee experimenten in de Microgravity Environment parallel uit te voeren. De voorzijde van elke cel moet bestaan uit een optisch kwartsglas raam (diameter: 16 mm) voor het verlichten van de werkende elektrode (Zie Figuur 1B).
  3. Gebruik een drie-elektrode opstelling in elke cel voor de fotoelektrochemische metingen met een PT-teller-elektrode en een Ag/AgCl (3 M KCl) referentie-elektrode in HClO4 (1 m). Voeg 1% (v/v) isopropanol toe aan de elektrolyt om de oppervlaktespanning te verminderen en de afgifte van de gasbellen te verbeteren. Gebruik een W-I witte lichtbron voor het verlichten van elk celcompartiment door de optische Vensters.
    Let op: geconcentreerd perchloorzuur is een sterke oxiderende. Organische, metallische en niet-organische zouten die worden gevormd door oxidatie zijn schok gevoelig en vormen een groot brand-en explosiegevaar. Draag een veiligheidsbril, handschoenen en een beschermende Labcoat. Werk onder de dampkap en Minimaliseer de opslagtijd van de Bench top.
  4. Voor gasbellen onderzoeken, Bevestig twee camera's aan elke cel via optische spiegels en beamsplitters (bijv. een kleurencamera aan de voorzijde en een monochromatische camera aan de zijkant, Zie Figuur 1) om te registreren gas Bubble evolutie tijdens de vrije val van het experiment. Bewaar voor elke druppel de opgenomen gegevens op een geïntegreerde board computer in de drop capsule. Neem enkele Foto's op met een framesnelheid van (bijv. 25 fps (kleurencamera) en 60 fps (monochromatische camera)).
  5. De drop capsule is voorzien van verschillende boards (Figuur 1). Monteer de fotoelektrochemische opstelling en de camera's op een optisch bord en bevestig deze aan een van de middelste planken in de capsule. Gebruik de resterende boards voor de aflevering van extra apparatuur zoals potentiostats, lichtbronnen, sluiter bedieningen en de board computer. Bevestig een batterijvoeding aan de onderkant van de capsule om de set-up van stroom te voorzien tijdens vrije val (Figuur 1).
  6. Schrijf een geautomatiseerde drop-sequentie voor de experimentele stappen die moeten worden gecontroleerd en uitgevoerd in Microgravity environment. Het programma moet vóór elke druppel worden gestart. Bij het bereiken van Microgravity Environment, de sequentie moet automatisch start camera's, verlichtingsbronnen en het elektrochemische experiment voor de duur van 9,3 s terwijl gelijktijdig onderdompelen van de werkende elektrode in de elektrolyt met behulp van een pneumatisch systeem (Zie Figuur 1, tabel 1).
  7. Onderzoek van lichtgeassisteerde waterstofproductie op de monsters in fotoelektrochemische metingen (bijv. cyclische voltammetrie en chronoamperometrie).
    1. Controle van de elektrochemische parameters door de twee potentiostats in de capsule. Voor optimale resoluties in J-V-metingen, gebruikt u scan frequenties (dE/DT) van 218 mV/s tot 235 mV/s om 3 scan cycli in Cycling voltammetrie experimenten uit te voeren, met behulp van Spanningsbereiken van + 0,25 V tot-0,3 V versus Ag/AgCl (3 M KCl). Gebruik het initiële potentieel, Ei = + 0,2 v versus Ag/AgCl (3 m KCl) en het afwerkings potentieel, ef = + 0,2 V versus Ag/AgCl (3 m KCl). Om de opgenomen J-V-metingen te vergelijken, neemt u de tweede scancyclus van elk experiment voor analyse.
    2. In chronoamperometrische metingen, gebruikt u de tijdschaal van de gegenereerde Microgravity Environment, 9,3 s, om de foto stroom op te nemen die door het monster wordt geproduceerd. Breng potentiaal bereik aan van-0,3 V tot-0,6 V versus Ag/AgCl (3 M KCl) om geproduceerde foto stromingen te vergelijken.
  8. Aan het einde van elke druppel, wanneer de drop capsule weer wordt vertraagd tot nul snelheid, gebruik de druppel sequentie om het monster te laten verwijderen uit de elektrolyt en camera's, potentiostats en verlichtingsbronnen worden uitgeschakeld.
  9. Verwijder de capsule beschermkap nadat u de capsule uit de vertragings container hebt opgehaald. Verwijder de monsters uit het pneumatische statief, spoel ze af met ultrapuur water en droog ze onder zachte stikstof flux. Bewaar ze onder de N2 atmosfeer tot er optische en spectroscopische onderzoeken worden uitgevoerd.
  10. Wissel de elektrolyt in de twee cellen, zorg voor de functie van alle instrumenten voordat u de cellen uitrusten met nieuwe monsters en bereid de capsule voor op een ander druppel experiment.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Etsen van het p-INP-oppervlak in BR2/methanol voor 30 s met opeenvolgende foto-elektrochemische conditionering van het monster door fietsen polarisatie in HCL is goed verankerd in de literatuur en besproken (bijvoorbeeld door Schulte & lewerenz (2001)14,15). De ETS-procedure verwijdert de inheemse oxide overgebleven op het oppervlak (Figuur 2) en elektrochemische fietsen in HCL veroorzaakt ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Voor de bereiding van foto elektroden is het belangrijk om de zuurstof blootstelling tussen de etsen en conditionerings procedure te minimaliseren en de 0,5 M HCl vóór gebruik voor ongeveer 10-15 min met stikstof te zuiveren. Zodra de monsters zijn geconditioneerd, kunnen ze worden opgeslagen onder stikstof atmosfeer in 15 mL conische buizen voor een paar uur om monster vervoer en/of bereidingstijd van de piepschuim deeltjes maskers toestaan. Om een homogene opstelling van PS-bollen op het elektrode substraat te bereiken...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

K.B. erkent de financiering van het Fellowship-programma van de Duitse Nationale Academie van Wetenschappen Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 en het Europees Ruimtevaartagentschap. Verder wil ze Dr. Leopold Summerer, het Advanced Concepts team, Alan dowson, Dr. Jack van loon, Dr. Gabor Milassin en Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) en Prof. Harry B. Gray (Caltech) bedanken voor hun grote steun. M.H.R. is dankbaar voor gulle steun van Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. en M.H.R. bevestigen de steun van het Beckman Institute van het California Institute of Technology en het Molecular Materials Research Center. Het team van Photoechem erkent sterk de financiering van het Duitse ruimtevaartcentrum (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.) voor het project No. 50WM1848. Bovendien erkent M.G. de financiering van het innovatieve en ondernemende team programma van Guangdong getiteld "Plasmonic nanomaterialen en Quantum dots voor licht management in opto-elektronische apparaten" (nr. 2016ZT06C517). Verder erkent het auteurs team de inspanning en ondersteuning van het team van ZARM met Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena thode en Dr. Thorben Könemann. Het is ook dankbaar voor verhelderende discussies met Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) en Dr. Slobodan Mitrovic (lam Research).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

```html

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
12.7 mm XZ Dovetail Translation Stage with Baseplate, M4 Taps (4 x)ThorlabsDT12XZ/M
Beam splitters (2 x)ThorlabsCM1-BS01350:50 400-700nm
Beamsplitters (2 x)ThorlabsCM1-BS01450:50 700-1100nm
Ohmische achtercontacten: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm AuOut e.V., Berlin, Duitslandhttps://www.out-ev.de/english/index.htmlBedrijf levert op maat gemaakte ohmische achtercontacten
Glasbuis, ca. 10 cm, binnendiameter ongeveer 4 mmBv. Gaßner GlasstechnikOp maat gemaakt
p-InP wafers, oriëntatie 111A, Zn-dopingconcentratie: 5 x 10^17 cm^-3AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. ZwitserlandOp maat gemaakt
Foto-elektrochemische cel voor aardse experimentenBv. glas/materialen werkplaatsOp maat gemaakt
Matrox 4Sight GPm (boardcomputer)Matrox imagingIvy Bridge, 7 x Cable Ace power I/O HRS 6p, open 10m, voedingsadapter voor Matrox 4sight GPm, Samsung 850 Pro 2,5" 1 TB, solid-state drive in ruil voor de 250Gb harde schijf
2-propanolSigma AldrichI9516-500ML
35mm Kowa LM35HC 1" Sensor F1.4 C-mount (2 x)Basler AG
AcetonSigma Aldrich650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl) referentie-elektrodeWPIDRIREF-5
Aluminium breadboard, 450 mm x 450 mm x 12,7mm, M6-draden (2 x)ThorlabsMB4545/M
Kolf, 100 mLVWR10754-948
Zwarte epoxyElectrolubeER2162
BroomSigma Aldrich1.01945 EMD Millipore
Kleurcamera (2 x)Basler AGacA2040-25gc
Geleidend zilver epoxyMG Chemicals8331-14G
KoperdraadBv. Sigma Aldrich349224-150CM
EthanolSigma Aldrich459844-500ML
Falconbuisjes, 15 mLVWR62406-200
HandschoenenzakkenSigma AldrichZ530212
Zoutzuur (1 M)Sigma AldrichH9892
MagneetroerdopVWR97042-626
MethanolSigma Aldrich34860-100ML-R
MicroscoopglaasjesVWR82003-414
MilliQ water
NIR camera (2 x)Basler AGacA1300-60gm
Stikstof, graad 5NAirgasNI UHP300
Ø 1" Stapelbare lensbuizen (6 x)ThorlabsSM1L03
O2 Plasma-faciliteit
OEM Flens naar SM-draadadapters (4 x)ThorlabsSM1F2
ParafilmVWR52858-000
PasteurpipetVWR14672-380
Perchloorzuur (1 M)Sigma Aldrich311421-50ML
PetrischaalVWR75845-546
Foto-elektrochemische cel voor microzwaartekrachtexperimentenBv. glas/materialen werkplaats
Polystyreen deeltjes, 784 nm, 5 % (w/v)Microparticles GmbH0,1-0,99 µm grootte (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml
Potentiostaten (2 x)BiologicSP-200/300
Pt-tegenelektrodeALS-Japan12961
Rhodium (III) chloridSigma Aldrich520772-1G
Sluitercontrolesysteem (2 x)
SiliziumreferentiefotodiodeThorlabsFDS1010
NatriumchloridSigma Aldrich567440-500GM
Stands en staven om de camera's te bevestigenVWR
Zwavelzuur (0,5 M)Sigma Aldrich339741-100ML
Telecentrisch hoge resolutie type WD110-serie type MML1-HR110Basler AG
TolueenSigma Aldrich244511-100ML
Verschillende reserve kolven en containers voor overgebleven perchloorzuur etc. voor de drop towerVWR
W-I-lamp met lichtgeleiders (2 x)Edmund OpticsDolan-Jenner MI-150 Fiber Optic Illuminator
CM-12 elektronenmicroscoop met een tweelingobjectieflens, CCD-camera (Gatan) systeem en een energiedispersieve spectroscopie van X-stralen (EDS) systeem)Philips
Dimension Icon AFM, gedraaide symmetrische ScanAsyst-Air-tips (siliciumnitride), nominale tipradius van 2 nmBruker
```

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure. Nature Communications. 6, 8286(2015).
  2. Young, J. L., Steiner, M. A., Döscher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G. Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures. Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).
  3. Cheng, W. H., Richter, M. H., May, M. M., Ohlmann, J., Lackner, D., Dimroth, F., et al. Monolithic Photoelectrochemical Device for 19% Direct Water Splitting. ACS Energy Letters. 3, 1795-1800 (2018).
  4. Lewerenz, H. -J., Heine, C., Skorupska, K., Szabo, N., Hannappel, T., Vo-Dinh, T., Campbell, S. H., Klemm, H. W., Munoz, A. G. Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems. Energy & Environmental Science. 3, 748-761 (2010).
  5. Raatschen, W. Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS. Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).
  6. Brinkert, K., Richter, M., Akay, Ö, Liedtke, J., Gierisig, M., Fountaine, K. T., et al. Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment. Nature Communications. 9, 2527(2018).
  7. Heller, A., Vadimsky, R. G. Efficient solar to chemical conversion: 12 % efficient photoassisted electrolysis in the p-type InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh) cell. Physical Review Letters. 46, 1153-1155 (1981).
  8. Muñoz, A. G., Heine, C., Lublow, M., Klemm, H. W., Szabó, N., Hannappel, T., et al. Photoelectrochemical conditioning of MOVPE p-InP films for light-induced hydrogen evolution: chemical, electronic and optical properties. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2, Q51-Q58 (2013).
  9. Sakurai, M., Sone, Y., Nishida, T., Matsushima, H., Fukunaka, Y. Fundamental Study of Water Electrolysis for Life Support System in Space. Electrochimica Acta. 100, 350-357 (2013).
  10. Sakuma, G., Fukunaka, Y., Matsushima, H. Nucleation and Growth of Electrolytic Gas Bubbles under Microgravity. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (2014), 7638-7645 (2014).
  11. Patoka, P., Giersig, M. Self-Assembly of Latex Particles for the Creation of Nanostructures with Tunable Plasmonic Properties. Journal of Materials Chemistry. 21, 16783-16796 (2011).
  12. Jensen, T. R., Malinsky, M. D., Haynes, C. L., Van Duyne, R. P. Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver. Journal of Physical Chemistry B. 104, 10549-10556 (2000).
  13. Selig, H., Dittus, H., Lämmerzahl, C. Drop Tower Microgravity Improvement Towards the Nano-g Level for the Microscope Payload Tests. Microgravity Science and Technology. 22, 539-549 (2010).
  14. Lewerenz, H. J., Schulte, K. H. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes: II. Photoelectron Spectroscopy. Electrochimica Acta. 47 (16), 2639-2651 (2002).
  15. Schulte, K. H., Lewerenz, H. J. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes. I. The Modification Procedure. Electrochimica Acta. 47 (16), 2633-2638 (2002).
  16. Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. , Cambridge University Press. Cambridge. (2001).
  17. Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity. Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).
  18. Kiuchi, D., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Kuribayashi, K. Ohmic Resistance Measurement of Bubble Froth Layer in Water Electrolysis under Microgravity. Journal of the Electrochemical Society. 153 (8), 138-143 (2006).
  19. Matsushima, H., Nishida, T., Konishi, Y., Fukunaka, Y., Ito, Y., Kuribayashi, K. Water Electrolysis under Microgravity Part 1. Experimental Technique. Electrochimica Acta. 48, 4119-4125 (2003).
  20. Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field. Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).
  21. Kaneko, H., Tanaka, K., Iwasaki, A., Abe, Y., Negishi, A., Water, K. amimotoM. Water Electrolysis under Microgravity Condition by Parabolic flight. Electrochimica Acta. 38, 729-733 (1993).
  22. Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions. Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).
  23. Lee, H. M., Takei, K., Zhang, J., Kapadia, R., Zheng, M., Chen, Y. -Z., Nah, J., Matthews, T. S., Chueh, Y. -L., Ager, J. -W., Javey, A. p‐Type InP Nanopillar Photocathodes for Efficient Solar‐Driven Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition. 51 (43), 10760-10764 (2012).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Solar Hydrogen ProductionMicrogravity EnvironmentPhotoelectrochemical Water SplittingP type Indium PhosphideRhodium ElectrocatalystShadow Nanosphere LithographyBremen Drop TowerGas Bubble DetachmentCyclic VoltammetryAtomic Force Microscopy

Gerelateerde artikelen