Method Article

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

DOI:

10.3791/59122

⸱

December 3rd, 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 This Article

Summary

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

Efektywna produkcja energii słonecznej i wodoru została niedawno zrealizowana na funkcjonalizowanych systemach półprzewodnikowo-elektrokatalitycznych w fotoelektrochemicznym półogniwie w środowisku mikrograwitacji w Bremen Drop Tower. W tym miejscu przedstawiamy procedury eksperymentalne dotyczące wytwarzania urządzenia półprzewodnikowo-elektrokatalitycznego, szczegóły dotyczące konfiguracji eksperymentalnej w kapsule kroplowej oraz sekwencję eksperymentalną podczas swobodnego spadania.

Abstract

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

Długoterminowe loty kosmiczne i cisksiężycowe platformy badawcze wymagają trwałego i lekkiego sprzętu podtrzymującego życie, który może być niezawodnie używany poza atmosferą ziemską. Tak zwane urządzenia wykorzystujące paliwo słoneczne, obecnie opracowywane do zastosowań naziemnych w dążeniu do realizacji zrównoważonej gospodarki energetycznej na Ziemi, stanowią obiecujące systemy alternatywne dla istniejących jednostek rewitalizacji powietrznej stosowanych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) poprzez fotoelektrochemiczne rozszczepianie wody i produkcję wodoru. Jedną z przeszkód dla elektrolizy wody (foto) w środowiskach o zmniejszonej grawitacji jest brak wyporu i wynikające, utrudnione uwalnianie pęcherzyków gazu z powierzchni elektrody. Powoduje to tworzenie się warstw piany pęcherzyków gazu w pobliżu powierzchni elektrody, co prowadzi do wzrostu rezystancji omowej i utraty wydajności ogniwa z powodu zmniejszonego przenoszenia masy substratów i produktów do iz elektrody. Ostatnio zademonstrowaliśmy wydajną produkcję wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji, wykorzystując zintegrowany układ półprzewodnikowo-elektrokatalityczny z fosforkiem indu typu p jako absorberem światła i elektrokatalizatorem rodowym. Poprzez nanostrukturyzację elektrokatalizatora za pomocą litografii nanosfery cienia, a tym samym tworzenie katalitycznych "gorących punktów" na powierzchni fotoelektrody, mogliśmy przezwyciężyć ograniczenia koalescencji pęcherzyków gazu i transferu masy oraz zademonstrować wydajną produkcję wodoru przy wysokich gęstościach prądu przy zmniejszonej grawitacji. W tym miejscu opisano szczegóły eksperymentalne dotyczące przygotowania tych nanostrukturalnych urządzeń, a w dalszej części przedstawiono procedurę ich testowania w środowisku mikrograwitacji, realizowaną w Bremen Drop Tower podczas 9,3 s swobodnego spadania.

Introduction

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

Nasza atmosfera na Ziemi powstaje w wyniku fotosyntezy tlenowej, procesu sprzed 2,3 miliarda lat, który przekształca energię słoneczną w bogate w energię węglowodory, uwalniając tlen jako produkt uboczny i używając wody i CO2 jako substratów. Obecnie sztuczne systemy fotosyntetyczne zgodne z koncepcją energetycznego schematu Z katalizy i transferu ładunku w naturalnej fotosyntezie są realizowane w układach półprzewodnikowo-elektrokatalizatorowych, wykazując dotychczas sprawność konwersji energii słonecznej na wodór na poziomie 19 %1,2,3. W tych systemach materiały półprzewodnikowe są stosowane jako absorbery światła, które są pokryte cienką, przezroczystą warstwą elektrokatalizatorów4. Intensywne badania w tej dziedzinie są wspierane przez globalne dążenie do systemów energii odnawialnej, w których wodór i węglowodory długołańcuchowe są doskonałymi kandydatami do zasilania paliwami alternatywnymi. Z podobnymi przeszkodami spotykają się również długoterminowe misje kosmiczne, gdzie nie jest możliwe zaopatrzenie w surowce z Ziemi. Wymagany jest niezawodny sprzęt podtrzymujący życie, wykorzystujący wydajną jednostkę rewitalizacji powietrznej, dostarczającą około 310 kg tlenu na członka załogi rocznie, nie licząc działań pozapojazdowych5. Wydajne solarne urządzenie do rozszczepiania wody, zdolne do produkcji tlenu i wodoru lub redukcji dwutlenku węgla wspomagane energią słoneczną i w systemie monolitycznym stanowiłoby alternatywną, lżejszą drogę do obecnie stosowanych technologii na ISS: jednostka rewitalizacji powietrza składa się z oddzielnego systemu z elektrolizerem alkalicznym, koncentratorem dwutlenku węgla w postaci stałej aminy i reaktorem Sabatiera do redukcji CO2 .

Bezprecedensowo, osiągnęliśmy efektywną produkcję energii słonecznej i wodoru w środowisku mikrograwitacji, zapewnioną przez 9,3 s podczas swobodnego spadania w Bremen Drop Tower (ZARM, Niemcy)6. Używając fosforku indu typu p jako półprzewodnikowego absorbera światła7,8 pokryty nanostrukturalnym elektrokatalizatorem rodowym, pokonaliśmy ograniczenia transferu masy podłoża i produktu do i z powierzchni fotoelektrody, co stanowi przeszkodę w środowiskach o zmniejszonej grawitacji ze względu na brak wyporności9,10. Zastosowanie litografii nanosfery cienia 11,12 bezpośrednio na powierzchni fotoelektrody pozwoliło na powstawanie katalitycznych "gorących punktów" rodu, które zapobiegały koalescencji pęcherzyków wodoru i tworzeniu się warstwy piany w pobliżu powierzchni elektrody.

Tutaj przedstawiamy eksperymentalne szczegóły przygotowania fotoelektrody p-InP, w tym trawienie i kondycjonowanie powierzchni, a następnie zastosowanie litografii nanosfery cienia na powierzchni elektrody i fotoelektrodepozycję nanocząstek rodu przez kulki z polistyrenu. Ponadto opisano eksperymentalne ustawienie w kapsule zrzutowej w wieży zrzutowej w Bremie oraz podano szczegóły sekwencji eksperymentalnej podczas 9,3 s swobodnego spadania. Przedstawiono instalację próbki i postępowanie przed i po każdej kropli, a także przygotowanie kapsuły kroplowej i jej wyposażenia do obsługi źródeł oświetlenia, potencjostatów, elementów sterujących migawką i kamer wideo na polecenie.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Przygotowanie fotoelektrod p-InP

  1. Jako fotoabsorber należy użyć monokryształu p-InP (orientacja (111 A), stężenie domieszkowania Zn 5 × 1017 cm-3). W celu przygotowania kontaktu wstecznego należy odparować 4 nm Au, 80 nm Zn i 150 nm Au na tylnej stronie płytki i podgrzewać ją do 400 °C przez 60 s.
  2. Nałożyć pastę Ag, aby przymocować styk omowy do cienkiego drutu Cu. Nawlecz drut na szklaną rurkę, zamknij próbkę i uszczelnij ją do szklanej rurki za pomocą czarnej, odpornej na chemikalia żywicy epoksydowej.
  3. W celu usunięcia tlenków natywnych należy wytrawić 0,5cm2 polerowaną powierzchnię indu p-InP przez 30 s w 10 ml roztworu bromu/metanolu (0,05 % w/v), przepłukać powierzchnię etanolem i ultraczystą wodą przez 10 s każdy i wysuszyć próbkę pod strumieniem azotu. Przygotować roztwory z wody ultraczystej i chemikaliów klasy analitycznej o poziomie zanieczyszczeń organicznych poniżej 50 ppb.
    UWAGA: Brom powoduje ostrą toksyczność przy wdychaniu, działanie na skórę i ostrą toksyczność dla organizmów wodnych. Nosić sprzęt ochronny, taki jak okulary ochronne, rękawice i fartuch laboratoryjny. Pracuj pod wyciągiem. Metanol jest łatwopalny, powoduje ostrą toksyczność (drogą pokarmową, skórną i wziewną) i wiadomo, że powoduje działanie toksyczne na narządy docelowe. Nosić sprzęt ochronny, taki jak okulary ochronne, rękawice i fartuch laboratoryjny. Pracuj pod wyciągiem.
  4. Następnie kondycjonuj elektrodę p-InP fotoelektrochemicznie w standardowym trzyelektrodowym układzie potencjostatycznym. Użyć kuwety ze szkła borokrzemianowego z okienkiem kwarcowym jako ogniwa fotoelektrochemicznego w celu oświetlenia próbki lampą halogenową wolframową o białym świetle (100 mW/cm2) podczas zabiegu.
  5. Dostosuj natężenie światła za pomocą skalibrowanej krzemowej fotodiody referencyjnej.
  6. Przygotować 0,5 M roztwór HCl i przepłukać go w ogniwie fotoelektrochemicznym azotem o czystości 5,0 przez 15 minut.
  7. Użyj cykli potencjodynamicznych w zakresie od -0,44 V do +0,31 V przy szybkości skanowania 50 mV s-1 przez 50 cykli, aby fotoelektrochemicznie skondycjonować próbkę w ciągłym oświetleniu.
    UWAGA: Kwas solny powoduje poważne uszkodzenia oczu, korozję skóry i działa żrąco na metale. Ponadto wykazuje specyficzną toksyczność na narządy docelowe po jednorazowym narażeniu. Nosić sprzęt ochronny, taki jak okulary ochronne, rękawice i fartuch laboratoryjny. Pracuj pod wyciągiem.

2. Wytwarzanie nanostruktur rodowych

  1. Zastosuj litografię nanosfery cienia (SNL)11,12 do tworzenia nanostruktur rodowych na fotoelektrodzie p-InP. W celu wytworzenia masek polistyrenowych na elektrodzie p-InP należy otrzymać monorozproszone kulki polistyrenu (PS) o długości fali 784 nm w stężeniu 5% (w/v) i rozpuścić je w ultraczystej wodzie.
  2. Aby uzyskać końcową objętość 600 μL, należy zmieszać 300 μL dyspersji kulek polistyrenowych z 300 μL etanolu zawierającego 1% (w/v) styrenu i 0,1% kwasu siarkowego (v/v).
  3. Nanieś roztwór na powierzchnię wody za pomocą pipety Pasteura z zakrzywioną końcówką. W celu zwiększenia powierzchni struktur monokrystalicznych należy delikatnie obrócić szalkę Petriego. Ostrożnie rozprowadzić roztwór, aby pokryć 50% granicy faz powietrze-woda monowarstwą hcp. Pozostaw miejsce na relaksację naprężeń i unikaj tworzenia pęknięć w sieci podczas kolejnych etapów przygotowania.
  4. Zabezpieczyć drut Cu fotoelektrochemicznie kondycjonowanych elektrod p-InP za pomocą parafilmu. Umieść je delikatnie pod pływającą, zamkniętą, zapakowaną maską sferyczną PS, ostrożnie przyklejając je do szkiełka mikroskopowego, zapobiegając obracaniu się próbek. Delikatnie usuń resztki wody za pomocą pipety i przez odparowanie, powodując następnie osadzenie się maski na powierzchni elektrody.
  5. Wyjmij elektrodę z szalki Petriego i delikatnie osusz powierzchnię za pomocą N2. Elektrodę należy przechowywać pod azotem do czasu fotoelektroosadzania rodu (np. w eksykatorze).
    UWAGA: W tym miejscu protokół może zostać wstrzymany na okres do jednego tygodnia.

3. Fotoelektrodepozycja nanocząstek rodu

  1. W celu fotoelektrochemicznego osadzenia nanocząstek rodu przez maskę sferyczną PS, należy umieścić elektrodę w roztworze elektrolitu zawierającym 5 mM RhCl3, 0,5 M NaCl i 0,5% (v/v) 2-propanolu i zastosować stały potencjał Vdep = +0,01 V przez 5 s przy jednoczesnym oświetleniu lampą W-I (100 mW/cm2). Specyfikacje elektrochemiczne, takie jak ogniwo elektrochemiczne, elektroda referencyjna i przeciwelektroda, są takie same, jak w przypadku procedury kondycjonowania fotoelektrochemicznego.
  2. Opłucz fotoelektrodę ultraczystą wodą i wysusz ją pod delikatnym strumieniemN2.
  3. W celu usunięcia kulek PS z powierzchni elektrody, należy umieścić elektrody na 20 minut pod delikatnym mieszaniem w zlewce z 10 ml toluenu (elektroda powinna być pokryta toluenem). Następnie przepłucz elektrodę acetonem i etanolem przez 20 s każdy.
  4. Usunąć resztki węgla z powierzchni za pomocą czyszczenia plazmowego O2 przez 6 minut przy ciśnieniu procesowym 0,16 mbar, 65 W i dopływie gazu O2 i Ar odpowiednio 2 sccm i 1 sccm.
  5. Przygotować próbki do tygodnia przed badaniami w wieży zrzutowej i przechowywać je do czasu zakończenia eksperymentów w atmosferzeN2 w ciemności (np. w torbie na rękawiczki lub eksykatorze).
    UWAGA: Protokół można tutaj wstrzymać na około 1-2 tygodnie.

4. Eksperymenty fotoelektrochemiczne w mikrograwitacji

  1. W celu przeprowadzenia eksperymentów w środowisku mikrograwitacji należy skontaktować się z jednym z głównych ośrodków wież zrzutowych (np. Centrum Stosowanych Technologii Kosmicznych i Mikrograwitacji (ZARM), Brema, Niemcy).
    UWAGA: Dzięki zastosowaniu systemu katapultowego, w ZARM można wygenerować 9,3 s środowiska mikrograwitacji przy zbliżającym się minimalnym poziomie g około 10-6 m·s-2 13. Hydraulicznie sterowany pneumatyczny system tłokowo-cylindryczny służy do wystrzeliwania kapsuły zrzutowej (Rysunek 1A) w górę od dołu wieży. Kapsuła jest ponownie zwalniana w pojemniku, który jest umieszczany na układzie butli w czasie swobodnego spadania.
  2. Do eksperymentów fotoelektrochemicznych należy użyć dwukomorowego ogniwa fotoelektrochemicznego (objętość napełniania każdej komórki: 250 ml) w celu przeprowadzenia dwóch eksperymentów w środowisku mikrograwitacji równolegle. Przód każdego ogniwa powinien składać się z optycznego szkła kwarcowego (średnica: 16 mm) do oświetlania elektrody roboczej (patrz Rysunek 1B).
  3. Do pomiarów fotoelektrochemicznych należy zastosować układ trzech elektrod w każdym ogniwie z przeciwelektrodą Pt i elektrodą odniesienia Ag/AgCl (3 M KCl) w HClO4 (1 M). Dodać 1% (v/v) izopropanolu do elektrolitu w celu zmniejszenia napięcia powierzchniowego i zwiększenia uwalniania pęcherzyków gazu. Użyj źródła białego światła W-I do oświetlenia każdej komory celi przez okna optyczne.
    UWAGA: Stężony kwas nadchlorowy jest silnym utleniaczem. Sole organiczne, metaliczne i nieorganiczne powstałe w wyniku utleniania są wrażliwe na wstrząsy i stwarzają duże zagrożenie pożarem i wybuchem. Nosić okulary ochronne, rękawice i ochronny fartuch laboratoryjny. Pracuj pod wyciągiem i zminimalizuj czas przechowywania na blacie.
  4. W przypadku badań pęcherzyków gazu, należy przymocować dwie kamery do każdej komórki za pomocą luster optycznych i rozdzielaczy wiązki (np. kamera kolorowa z przodu i kamera monochromatyczna z boku, patrz Rysunek 1), aby zarejestrować ewolucję pęcherzyków gazu podczas swobodnego spadania eksperymentu. Dla każdej kropli przechowuj zarejestrowane dane na zintegrowanym komputerze pokładowym w kapsule wrzutowej. Nagrywaj pojedyncze zdjęcia z szybkością klatek (np. 25 kl./s (kamera kolorowa) i 60 kl./s (kamera monochromatyczna)).
  5. Kapsuła zrzutowa wyposażona jest w kilka tablic (Rysunek 1). Zamontuj zestaw fotoelektrochemiczny i kamery na płytce optycznej i przymocuj ją do jednej ze środkowych płytek w kapsule. Pozostałe płytki wykorzystaj do montażu dodatkowego wyposażenia, takiego jak potencjostaty, źródła światła, sterowanie migawką oraz komputer pokładowy. Podłącz akumulator na dolnej płycie kapsuły, aby zasilać zestaw podczas swobodnego spadania (Rysunek 1).
  6. Napisz zautomatyzowaną sekwencję zrzutu dla etapów eksperymentalnych, które powinny być kontrolowane i przeprowadzane w środowisku mikrograwitacji. Program należy uruchomić przed każdym upuszczeniem. Po osiągnięciu środowiska mikrograwitacji, sekwencja powinna automatycznie uruchomić kamery, źródła oświetlenia i eksperyment elektrochemiczny na czas 9,3 s, jednocześnie zanurzając elektrodę roboczą w elektrolicie za pomocą układu pneumatycznego (patrz Rysunek 1, Tabela 1).
  7. Badanie produkcji wodoru wspomaganej światłem na próbkach w pomiarach fotoelektrochemicznych (np. woltamperometria cykliczna i chronoamperometria).
    1. Kontroluj parametry elektrochemiczne za pomocą dwóch potencjostatów w kapsule. Aby uzyskać optymalną rozdzielczość w pomiarach J - V, należy użyć szybkości skanowania (dE/dt) od 218 mV/s do 235 mV/s, aby uruchomić 3 cykle skanowania w eksperymentach woltamperometrii cyklicznej, wykorzystując zakresy napięcia od +0,25 V do -0,3 V vs Ag/AgCl (3 M KCl). Zastosować potencjał początkowy, Ei = +0,2 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) i potencjał końcowy, Ef = +0,2 V vs Ag/AgCl (3 M KCl). Aby porównać zarejestrowane pomiary J - V, wykonaj drugi cykl skanowania każdego eksperymentu w celu analizy.
    2. W pomiarach chronoamperometrycznych użyj skali czasu wygenerowanego środowiska mikrograwitacji, 9,3 s, aby zarejestrować fotoprąd wytwarzany przez próbkę. Zastosuj zakresy potencjału od -0,3 V do -0,6 V w porównaniu z Ag/AgCl (3 M KCl), aby porównać wytwarzane prądy fotologiczne.
  8. Pod koniec każdej kropli, gdy kapsuła kroplowa zostanie ponownie spowolniona do prędkości zerowej, należy użyć sekwencji upuszczania, aby umożliwić usunięcie próbki z elektrolitu i wyłączenie kamer, potencjostatów i źródeł oświetlenia.
  9. Po wyjęciu kapsułki z pojemnika opóźniającego należy zdjąć osłonę ochronną kapsuły. Wyjmij próbki ze statycznika pneumatycznego, przepłucz je ultraczystą wodą i wysusz pod delikatnym strumieniem azotu. Przechowywać je w atmosferze N2 do czasu przeprowadzenia badań optycznych i spektroskopowych.
  10. Wymień elektrolit w dwóch ogniwach, upewnij się, że wszystkie instrumenty działają przed wyposażeniem ogniw w nowe próbki i przygotuj kapsułkę do kolejnego eksperymentu z kroplą.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Wytrawianie powierzchni p-InP w Br2/ metanolu przez 30 s z kolejnym kondycjonowaniem fotoelektrochemicznym próbki poprzez cykliczną polaryzację w HCl jest dobrze ugruntowane w literaturze i omówione (np. przez Schulte & Lewerenz (2001)14,15). Procedura wytrawiania usuwa natywny tlenek pozostający na powierzchni ( rysunek 2), a cykl elektrochemiczny w HCl powoduje ponadto znaczny wzrost współczynn...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Do przygotowania fotoelektrod ważne jest, aby zminimalizować ekspozycję na tlen między procedurą trawienia a kondycjonowania oraz przedmuchiwać 0,5 M HCl przed użyciem przez około 10 - 15 minut azotem. Po kondycjonowaniu próbki można je przechowywać w atmosferze azotu w stożkowych probówkach o pojemności 15 ml przez kilka godzin, aby umożliwić transport próbki i/lub czas przygotowania masek z cząstek polistyrenu. W celu uzyskania jednorodnego ułożenia kulek PS na podłożu elektrody, ważne jest utworzenie ciągłej maski kul...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

K.B. dziękuje za finansowanie z programu stypendialnego Niemieckiej Narodowej Akademii Nauk Leopoldina, grantu LPDS 2016-06 oraz Europejskiej Agencji Kosmicznej. Ponadto chciałaby podziękować dr Leopoldowi Summererowi, zespołowi Advanced Concepts, Alanowi Dowsonowi, dr Jackowi van Loonowi, dr Gaborowi Milassinowi i dr Robertowi Lindnerowi (ESTEC), Robbertowi-Janowi Noordamowi (Notese) i prof. Harry'emu B. Grayowi (Caltech) za ich ogromne wsparcie. M.H.R. jest wdzięczny za hojne wsparcie ze strony prof. Nathana S. Lewisa (Caltech). K.B. i M.H.R. dziękują za wsparcie ze strony Instytutu Beckmana w Kalifornijskim Instytucie Technologii oraz Centrum Badań nad Materiałami Molekularnymi. Zespół PhotoEChem dziękuje za dofinansowanie projektu nr 50WM1848 przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.). Ponadto M.G. potwierdza finansowanie z Programu Innowacyjnego i Przedsiębiorczego Zespołu Guangdong zatytułowanego "Nanomateriały plazmoniczne i kropki kwantowe do zarządzania światłem w urządzeniach optoelektronicznych" (nr 2016ZT06C517). Ponadto zespół autorski bardzo dziękuje za wysiłek i wsparcie ze strony zespołu ZARM, w skład którego wchodzą: Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, dr Martin Castillo, Magdalena Thode i dr Thorben Könemann. Jest również wdzięczny za pouczające dyskusje z prof. Yasuhiro Fukunaką (Uniwersytet Waseda), prof. Hisayoshi Matsushima (Uniwersytet Hokkaido) i dr Slobodanem Mitroviciem (Lam Research).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Stolik translacyjny XZ na jaskółczy ogon 12,7 mm z płytą podstawy, gwintowniki M4 (4 x)ThorlabsDT12XZ/M
Rozdzielacze wiązki (2 x)ThorlabsCM1-BS01350:50 400-700nm
Beamsplitters (2 x)ThorlabsCM1-BS01450:50 700-1100nm
Omowy styk tylny: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm AuOut e.V., Berlin, Niemcyhttps://www.out-ev.de/english/index.htmlFirma dostarcza wykonane na zamówienie omowe styki tylne
Rurka szklana, ok. 10 cm, średnica wewnętrzna ok. 4 mmNp. Gaß ner GlasstechnikNiestandardowe
wafle p-InP, orientacja 111A, stężenie domieszkowania Zn: 5 x 10^17 cm^-3AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. SzwajcariaWykonane na zamówienie
ogniwo fotoelektrochemiczne do eksperymentów naziemnychNp. warsztatWykonane na zamówienie
Matrox 4Sight GPm (komputer pokładowy)ObrazowanieMatroxIvy Bridge, 7 x Ace power I/O HRS 6p, otwarty 10m, Zasilacz do Matrox 4sight GPm, Samsung 850 Pro 2,5" 1 TB, Dysk SSD w zamian za dysk twardy 250Gb
2-propanolSigma AldrichI9516-500ML
35mm Kowa LM35HC 1" Sensor F1.4 C-mount (2 x)Elektroda
AcetonSigma Aldrich650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl)WPIDRIREF-5
Aluminiowa płytka stykowa, 450 mm x 450 mm x 12.7mm, Krany M6 (2 x)ThorlabsMB4545/M
Zlewka, 100 mlVWR10754-948
epoksydowyelektrosmarER2162
BromSigma Aldrich1.01945 EMD Millipore
Kolorowa kamera (2 x)Basler AGacA2040-25gc
Przewodząca srebrna żywica epoksydowaMG Chemicals8331-14G
Drut miedzianyNp. Sigma Aldrich349224-150CM
EtanolSigma Aldrich459844-500ML
Probówki Falcon, 15 mlVWR62406-200
Worki na rękawiczkiSigma AldrichZ530212
Kwas solny (1 M)Sigma AldrichH9892
Mieszadło magnetyczneVWR97042-626
MetanolSigma Aldrich34860-100ML-R Szkiełka
mikroskopoweVWR82003-414
MilliQ water
NIR (2 x)Basler AGacA1300-60gm
Azot, klasa 5NAirgasNI UHP300
Ø Rurki soczewek 1" do układania w stosy (6 x)ThorlabsSM1L03
O2 Plasma Facility
OEM Kołnierz do adapterów gwintu SM (4 x)ThorlabsSM1F2
ParafilmVWR52858-000
Pipeta PasteuraVWR14672-380
Kwas nadchlorowy (1 M)Sigma Aldrich311421-50ML
Szalka PetriegoVWR75845-546
Komórka fotoelektrochemiczna do eksperymentów mikrograwitacjiNp. warsztat
Cząstki polistyrenu, 784 nm, 5 % (w/v)Mikrocząstki GmbH0,1-0,99 &mikro; Rozmiar m (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml
Potencjostaty (2 x)BiologicznySP-200/300
Pt przeciwelektrodaALS-Japan12961
Chlorek rodu (III)Sigma Aldrich520772-1G
System sterowania migawką (2 x)
Krzemowa fotodioda referencyjnaThorlabsFDS1010
Chlorek soduSigma Aldrich567440-500GM
Statywy i pręty do mocowania kamerVWR
Kwas siarkowy (0,5 M)Sigma Aldrich339741-100ML
Telecentryczny Typ wysokiej rozdzielczości Seria WD110 Typ MML1-HR110Basler AG
ToluenSigma Aldrich244511-100ML
Różne zapasowe zlewki i pojemniki na resztki kwasu nadchlorowego itp. do wieży zrzutowejVWR
W-I z światłowodami (2 x)Edmund OpticsOświetlacz światłowodowy Dolan-Jenner MI-150
Dimension Icon AFM, obracane symetryczne końcówki ScanAsyst-Air (azotek krzemu), nominalny promień końcówki 2 nmBruker
szkła/materiałów referencyjna Basler AG szkła/materiałów Lampa Mikroskop elektronowy CM-12 z podwójną soczewką obiektywową, systemem kamery CCD (Gatan) i systemem spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii (EDS)Philips

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles