Name: Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-12-03T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: Poznaj metodę budowy nanostrukturalnych fotoelektrod do produkcji wodoru w mikrograwitacji. Protokół obejmuje testowanie w Wieży Drop Tower w Bremie oraz analizę zachowania pęcherzyków gazu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Przygotowanie fotoelektrod p-InP
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Dostosuj natężenie światła za pomocą skalibrowanej krzemowej fotodiody referencyjnej.</li>
	<li>Przygotować 0,5 M roztwór HCl i przepłukać go w ogniwie fotoelektrochemicznym azotem o czystości 5,0 przez 15 minut.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie nanostruktur rodowych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Fotoelektrodepozycja nanocząstek rodu
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Opłucz fotoelektrodę ultraczystą wodą i wysusz ją pod delikatnym strumieniemN2.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. Eksperymenty fotoelektrochemiczne w mikrograwitacji
<ol>
	<li>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 (<silna klasa="xfig">Rysunek 1A) w górę od dołu wieży. Kapsuła jest ponownie zwalniana w pojemniku, który jest umieszczany na układzie butli w czasie swobodnego spadania.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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)).</li>
	<li>Kapsuła zrzutowa wyposażona jest w kilka tablic (<silna klasa="xfig">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 (<silna klasa="xfig">Rysunek 1).</li>
	<li>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 <silna klasa="xfig">Rysunek 1, Tabela 1).</li>
	<li>Badanie produkcji wodoru wspomaganej światłem na próbkach w pomiarach fotoelektrochemicznych (np. woltamperometria cykliczna i chronoamperometria).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Direct+Solar-to-Hydrogen+Conversion+by+In-Situ+Interface+Transformation+of+a+Tandem+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure.</a> Nature Communications. 6, 8286(2015).</li>
<li>Young, J. L., Steiner, M. A., Döscher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Solar-to-Hydrogen+Conversion+via+Inverted+Metamorphic+Multi-Junction+Semiconductor+Architectures%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Energy%22%5BJournal%5D)">Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures.</a> Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).</li>
<li>Cheng, W. H., Richter, M. H., May, M. M., Ohlmann, J., Lackner, D., Dimroth, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monolithic+Photoelectrochemical+Device+for+19%25+Direct+Water+Splitting%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Energy+Letters%22%5BJournal%5D)">Monolithic Photoelectrochemical Device for 19% Direct Water Splitting.</a> ACS Energy Letters. 3, 1795-1800 (2018).</li>
<li>Lewerenz, H. -J., Heine, C., Skorupska, K., Szabo, N., Hannappel, T., Vo-Dinh, T., Campbell, S. H., Klemm, H. W., Munoz, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoelectrocatalysis%3A+Principles%2C+Nanoemitter+Applications+and+Routes+to+Bio-inspired+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems.</a> Energy & Environmental Science. 3, 748-761 (2010).</li>
<li>Raatschen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Potential+and+Benefits+of+Closed+Loop+ECLS+Systems+in+the+ISS%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Astronautica%22%5BJournal%5D)">Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS.</a> Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).</li>
<li>Brinkert, K., Richter, M., Akay, Ö, Liedtke, J., Gierisig, M., Fountaine, K. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Solar+Hydrogen+Production+in+Microgravity+Environment%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment.</a> Nature Communications. 9, 2527(2018).</li>
<li>Heller, A., Vadimsky, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+solar+to+chemical+conversion%3A+12+%25+efficient+photoassisted+electrolysis+in+the+p-type+InP%28Ru%29%5D%2FHCl-KCl%2FPt%28Rh%29+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Efficient solar to chemical conversion: 12 % efficient photoassisted electrolysis in the p-type InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh) cell.</a> Physical Review Letters. 46, 1153-1155 (1981).</li>
<li>Muñoz, A. G., Heine, C., Lublow, M., Klemm, H. W., Szabó, N., Hannappel, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoelectrochemical+conditioning+of+MOVPE+p-InP+films+for+light-induced+hydrogen+evolution%3A+chemical%2C+electronic+and+optical+properties%5BTitle%5D)+AND+%22ECS+Journal+of+Solid+State+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Photoelectrochemical conditioning of MOVPE p-InP films for light-induced hydrogen evolution: chemical, electronic and optical properties.</a> ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2, Q51-Q58 (2013).</li>
<li>Sakurai, M., Sone, Y., Nishida, T., Matsushima, H., Fukunaka, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fundamental+Study+of+Water+Electrolysis+for+Life+Support+System+in+Space%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Fundamental Study of Water Electrolysis for Life Support System in Space.</a> Electrochimica Acta. 100, 350-357 (2013).</li>
<li>Sakuma, G., Fukunaka, Y., Matsushima, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nucleation+and+Growth+of+Electrolytic+Gas+Bubbles+under+Microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Nucleation and Growth of Electrolytic Gas Bubbles under Microgravity.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 39 (2014), 7638-7645 (2014).</li>
<li>Patoka, P., Giersig, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Assembly+of+Latex+Particles+for+the+Creation+of+Nanostructures+with+Tunable+Plasmonic+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Self-Assembly of Latex Particles for the Creation of Nanostructures with Tunable Plasmonic Properties.</a> Journal of Materials Chemistry. 21, 16783-16796 (2011).</li>
<li>Jensen, T. R., Malinsky, M. D., Haynes, C. L., Van Duyne, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanosphere+Lithography%3A+Tunable+Localized+Surface+Plasmon+Resonance+Spectra+of+Silver%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver.</a> Journal of Physical Chemistry B. 104, 10549-10556 (2000).</li>
<li>Selig, H., Dittus, H., Lämmerzahl, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+Tower+Microgravity+Improvement+Towards+the+Nano-g+Level+for+the+Microscope+Payload+Tests%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Drop Tower Microgravity Improvement Towards the Nano-g Level for the Microscope Payload Tests.</a> Microgravity Science and Technology. 22, 539-549 (2010).</li>
<li>Lewerenz, H. J., Schulte, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+Photoelectrochemical+Conditioning+and+Surface+Analysis+of+InP+Photocathodes%3A+II.+Photoelectron+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes: II. Photoelectron Spectroscopy.</a> Electrochimica Acta. 47 (16), 2639-2651 (2002).</li>
<li>Schulte, K. H., Lewerenz, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+Photoelectrochemical+Conditioning+and+Surface+Analysis+of+InP+Photocathodes.+I.+The+Modification+Procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes. I. The Modification Procedure.</a> Electrochimica Acta. 47 (16), 2633-2638 (2002).</li>
<li>Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSubramanian%2C+RS+%22The+Motion+of+Bubbles+and+Drops+in+Reduced+Gravity%22">The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity</a>. , Cambridge University Press. Cambridge. (2001).</li>
<li>Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+Bubble+Growth+During+Water+Electrolysis+under+Microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity.</a> Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).</li>
<li>Kiuchi, D., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ohmic+Resistance+Measurement+of+Bubble+Froth+Layer+in+Water+Electrolysis+under+Microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Ohmic Resistance Measurement of Bubble Froth Layer in Water Electrolysis under Microgravity.</a> Journal of the Electrochemical Society. 153 (8), 138-143 (2006).</li>
<li>Matsushima, H., Nishida, T., Konishi, Y., Fukunaka, Y., Ito, Y., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+Electrolysis+under+Microgravity+Part+1.+Experimental+Technique%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Water Electrolysis under Microgravity Part 1. Experimental Technique.</a> Electrochimica Acta. 48, 4119-4125 (2003).</li>
<li>Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+Intensification%3A+Water+Electrolysis+in+a+Centrifugal+Acceleration+Field%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Electrochemistry%22%5BJournal%5D)">Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field.</a> Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).</li>
<li>Kaneko, H., Tanaka, K., Iwasaki, A., Abe, Y., Negishi, A., Water, K. amimotoM. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+Electrolysis+under+Microgravity+Condition+by+Parabolic+flight%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Water Electrolysis under Microgravity Condition by Parabolic flight.</a> Electrochimica Acta. 38, 729-733 (1993).</li>
<li>Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+Electrochemical+Hydrogen+Evolution+under+Microgravity+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions.</a> Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((p%E2%80%90Type+InP+Nanopillar+Photocathodes+for+Efficient+Solar%E2%80%90Driven+Hydrogen+Production%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">p‐Type InP Nanopillar Photocathodes for Efficient Solar‐Driven Hydrogen Production.</a> Angewandte Chemie International Edition. 51 (43), 10760-10764 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Stolik translacyjny XZ na jaskółczy ogon 12,7 mm z płytą podstawy, gwintowniki M4 (4 x)</td><td>Thorlabs</td><td>DT12XZ/M</td><td></td></tr><tr><td>Rozdzielacze wiązki (2 x)</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-BS013</td><td>50:50 400-700nm</td></tr><tr><td>Beamsplitters (2 x)</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-BS014</td><td>50:50 700-1100nm</td></tr><tr><td>Omowy styk tylny: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm Au</td><td>Out e.V., Berlin, Niemcy</td><td>https://www.out-ev.de/english/index.html</td><td>Firma dostarcza wykonane na zamówienie omowe styki tylne</td></tr><tr><td>Rurka szklana, ok. 10 cm, średnica wewnętrzna ok. 4 mm</td><td>Np. Ga&szlig; ner Glasstechnik</td><td></td><td>Niestandardowe</td></tr><tr><td>wafle p-InP, orientacja 111A, stężenie domieszkowania Zn: 5 x 10^17 cm^-3</td><td>AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. Szwajcaria</td><td></td><td>Wykonane na zamówienie</td></tr><tr><td>ogniwo fotoelektrochemiczne do eksperymentów naziemnych</td><td>Np. warsztat</td><td></td> szkła/materiałów <td>Wykonane na zamówienie</td></tr><tr><td>Matrox 4Sight GPm (komputer pokładowy)</td><td>Obrazowanie</td><td></td> <td>MatroxIvy 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</td></tr><tr><td>2-propanol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>I9516-500ML</td><td></td></tr><tr><td>35mm Kowa LM35HC 1" Sensor F1.4 C-mount (2 x)</td><td>Elektroda</td> referencyjna Basler AG <td></td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma Aldrich</td><td>650501-1L</td><td></td></tr><tr><td>Ag/AgCl (3 M KCl)</td><td>WPI</td><td>DRIREF-5</td><td></td></tr><tr><td>Aluminiowa płytka stykowa, 450 mm x 450 mm x 12.7mm, Krany M6 (2 x)</td><td>Thorlabs</td><td>MB4545/M</td><td></td></tr><tr><td>Zlewka, 100 ml</td><td>VWR</td><td>10754-948</td><td></td></tr><tr><td>epoksydowy</td><td>elektrosmar</td><td>ER2162</td><td></td></tr><tr><td>Brom</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1.01945 EMD Millipore</td><td></td></tr><tr><td>Kolorowa kamera (2 x)</td><td>Basler AG</td><td>acA2040-25gc</td><td></td></tr><tr><td>Przewodząca srebrna żywica epoksydowa</td><td>MG Chemicals</td><td>8331-14G</td><td></td></tr><tr><td>Drut miedziany</td><td>Np. Sigma Aldrich</td><td>349224-150CM</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>459844-500ML</td><td></td></tr><tr><td>Probówki Falcon, 15 ml</td><td>VWR</td><td>62406-200</td><td></td></tr><tr><td>Worki na rękawiczki</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z530212</td><td></td></tr><tr><td>Kwas solny (1 M)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>H9892</td><td></td></tr><tr><td>Mieszadło magnetyczne</td><td>VWR</td><td>97042-626</td><td></td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>34860-100ML-R Szkiełka</td><td></td></tr><tr><td>mikroskopowe</td><td>VWR</td><td>82003-414</td><td></td></tr><tr><td>MilliQ water</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>NIR (2 x)</td><td>Basler AG</td><td>acA1300-60gm</td><td></td></tr><tr><td>Azot, klasa 5N</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td></td></tr><tr><td>&Oslash; Rurki soczewek 1" do układania w stosy (6 x)</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L03</td><td></td></tr><tr><td>O2 Plasma Facility</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>OEM Kołnierz do adapterów gwintu SM (4 x)</td><td>Thorlabs</td><td>SM1F2</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>VWR</td><td>52858-000</td><td></td></tr><tr><td>Pipeta Pasteura</td><td>VWR</td><td>14672-380</td><td></td></tr><tr><td>Kwas nadchlorowy (1 M)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>311421-50ML</td><td></td></tr><tr><td>Szalka Petriego</td><td>VWR</td><td>75845-546</td><td></td></tr><tr><td>Komórka fotoelektrochemiczna do eksperymentów mikrograwitacji</td><td>Np. warsztat</td><td></td><td></td>szkła/materiałów</tr><tr><td>Cząstki polistyrenu, 784 nm, 5 % (w/v)</td><td>Mikrocząstki GmbH</td><td>0,1-0,99 &mikro; Rozmiar m (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml</td><td></td></tr><tr><td>Potencjostaty (2 x)</td><td>Biologiczny</td><td>SP-200/300</td><td></td></tr><tr><td>Pt przeciwelektroda</td><td>ALS-Japan</td><td>12961</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek rodu (III)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>520772-1G</td><td></td></tr><tr><td>System sterowania migawką (2 x)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Krzemowa fotodioda referencyjna</td><td>Thorlabs</td><td>FDS1010</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>567440-500GM</td><td></td></tr><tr><td>Statywy i pręty do mocowania kamer</td><td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kwas siarkowy (0,5 M)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>339741-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Telecentryczny Typ wysokiej rozdzielczości Seria WD110 Typ MML1-HR110</td><td>Basler AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Toluen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>244511-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Różne zapasowe zlewki i pojemniki na resztki kwasu nadchlorowego itp. do wieży zrzutowej</td> Lampa <td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>W-I z światłowodami (2 x)</td><td>Edmund Optics</td><td>Oświetlacz światłowodowy Dolan-Jenner MI-150</td> Mikroskop elektronowy CM-12 z podwójną soczewką obiektywową, systemem kamery CCD (Gatan) i systemem spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii (EDS)Philips <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dimension Icon AFM, obracane symetryczne końcówki ScanAsyst-Air (azotek krzemu), nominalny promień końcówki 2 nm</td><td>Bruker</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment

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.

Trawienie powierzchni p-InP w Br2/metanolu przez 30 s z następującym kondycjonowaniem fotoelektrochemicznym próbki poprzez polaryzację cykliczną w HCl jest dobrze opisane w literaturze i omówione (np. przez Schulte &amp; Lewerenz (2001)14,15). Procedura trawienia usuwa natywny tlenek pozostały na powierzchni (Rycyna 2), a polaryzacja cykliczna w HCl powoduje ponadto znaczny wzrost czynnika ...

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.

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Protokół ten zawiera procedurę krok po kroku, w jaki sposób konstruowanie nanostrukturalnych fotoelektrod w celu wydajnej produkcji wodoru wspomaganej światłem w środowiskach mikrograwitacji. Obejmuje on również procedurę testowania elektrod w celu sprawdzenia tych fotoelektrod w wieży zrzutowej w Bremie, gdzie w ciągu 9,2 sekundy swobodnego spadania można wygenerować od 10 do minus 6 g. Zaobserwowaliśmy przez nas i inne zespoły badawcze, że elektrochemicznie generowane pęcherzyki gazu przyklejają się do powierzchni elektrody w warunkach mikrograwitacji z powodu braku wyporu.Katalizator generuje gorące punkty katalityczne, które poprawiają odrywanie pęcherzyków gazu i ogólną wydajność. Procedury zostaną zademonstrowane przez Omera Akay'a, doktoranta w naszym laboratorium na FU Berlin. Na początek nałóż srebrną pastę, aby przymocować styk OMEC do cienkiego platerowanego drutu miedzianego.Nawlecz drut na szklaną rurkę i użyj czarnej, odpornej na chemikalia żywicy epoksydowej, aby zamknąć próbkę fosforku indu typu P i uszczelnić ją do szklanej rurki. Pod wyciągiem umieść polerowaną powierzchnię indu o powierzchni 0.5 centymetra kwadratowego z fosforku indu typu P w 10 mililitrach roztworu bromu/metanolu na 30 sekund w celu wytrawienia w celu usunięcia rodzimych tlenków. Następnie przepłucz powierzchnię etanolem i ultraczystą wodą przez 10 sekund każdy i wysusz próbkę pod strumieniem azotu.Użyj ogniwa ze szkła borokrzemianowego z okienkiem kwarcowym jako ogniwa fotoelektrochemicznego i umieść elektrodę z fosforku indu typu P w ogniwie w standardowym trzyelektrodowym układzie potencjostatycznym. Użyć wolframowej lampy halogenowej o białym świetle, aby oświetlić próbkę podczas procedury kondycjonowania. Dostosuj natężenie światła za pomocą skalibrowanej krzemowej fotodiody referencyjnej.Po przeczyszczeniu kwasu solnego azotem, fotoelektrochemicznie kondycjonuje próbkę za pomocą cykli potencjodynamicznych z szybkością skanowania 50 miliwoltów na sekundę przez 50 cykli w ciągłym oświetleniu. W tej procedurze litografia nanosfery cienia jest stosowana do formowania nanostruktur rodowych na elektrodzie z fosforku indu typu P. Otrzymaj gotową mieszaninę 300 mikrolitrów kulek polistyrenowych o długości 784 nanometrów i 300 mikrolitrów etanolu zawierającego jeden procent wagowy styrenu i 0,1% kwasu siarkowego.Użyj pipety Pasteura z zakrzywioną końcówką, aby nanieść roztwór na powierzchnię wody. Delikatnie obrócić szalkę Petriego, aby zwiększyć powierzchnię struktur monokrystalicznych. Ostrożnie rozprowadzić roztwór, aby pokryć 50% granicy faz powietrze-woda sześciokątną, zamkniętą, upakowaną monowarstwą.Chroń drut miedziany fotoelektrochemicznie kondycjonowanych elektrod z fosforku indu typu P za pomocą parafilmu. Ostrożnie przyklej je do szkiełka mikroskopowego i umieść elektrody pod pływającą, szczelnie upakowaną maską z polistyrenu. Nie dopuścić do obracania się próbek.Następnie za pomocą pipety delikatnie usuń resztki wody i poczekaj, aż wyschnie. Powoduje to, że maska jest następnie osadzana na powierzchni elektrody. Następnie wyjmij elektrodę z szalki Petriego i delikatnie osusz powierzchnię azotem.Przechowywać elektrodę pod azotem w eksykatorze. Aby fotoelektrochemicznie zdeponować nanocząstki rodu, należy umieścić elektrodę w roztworze elektrolitu zawierającym chlorek rodu, chlorek sodu i izopropanol. Za pomocą potencjostatu zastosuj stały potencjał 0,01 V przez pięć sekund przy jednoczesnym oświetleniu lampą z jodem wolframu.Następnie przepłucz fotoelektrodę ultraczystą wodą i wysusz ją pod delikatnym strumieniem azotu. Aby usunąć kulki polistyrenowe z powierzchni elektrody, umieść elektrody w zlewce z 10 mililitrami toluenu i delikatnie mieszaj przez 20 minut. Następnie przepłucz elektrodę acetonem i etanolem przez 20 sekund każdy.W przypadku badań pęcherzyków gazu należy podłączyć dwie kamery do każdego ogniwa fotoelektrochemicznego, aby rejestrować ewolucję pęcherzyków gazu za pomocą zwierciadeł optycznych i rozdzielaczy wiązki. Zamontuj zestaw fotoelektrochemiczny i kamery na płytce optycznej i przymocuj ją do jednej ze środkowych płyt kapsuły. Pozostałe płytki wykorzystaj do montażu dodatkowego wyposażenia, takiego jak potencjostaty i sterowanie migawką, źródła światła oraz komputer pokładowy.Podłącz akumulator do dolnej płyty kapsuły, aby zasilać zestaw podczas swobodnego spadania. Napisz zautomatyzowaną sekwencję zrzutu dla etapów eksperymentalnych, które mają być kontrolowane i przeprowadzane w środowisku mikrograwitacji. Utrzymuj eksperyment w swobodnym spadaniu, a także 45-minutową regenerację kapsuły po upadku.Aby zbadać produkcję wodoru wspomaganą światłem na próbkach, należy przeprowadzić woltamperometrię cykliczną i chronoamperometrię. W eksperymentach woltamperometrii cyklicznej ustaw szybkość skanowania dla dwóch potencjostatów na 218 miliwoltów na sekundę do 235 miliwoltów na sekundę, aby uzyskać optymalną rozdzielczość w pomiarach napięcia fotoprądowego. Użyj voltage zakresy od 0.25 V do minus 0.3 V w porównaniu z elektrodą referencyjną srebro-chlorek srebra.Zastosuj potencjał początkowy przy 0,2 V w porównaniu z elektrodą referencyjną srebro-chlorek srebra i potencjał wykańczający przy 0,2 V w porównaniu z elektrodą referencyjną srebro-chlorek srebra. W pomiarach chronoamperometrycznych użyj skali czasu wygenerowanego środowiska mikrograwitacji 9,3 sekundy, aby zarejestrować prąd fotoelektryczny wytwarzany przez próbkę. Zastosuj zakresy potencjału od minus 0,3 V do minus 0,6 V w porównaniu z elektrodą odniesienia srebro-chlorek srebra, aby porównać wytwarzany prąd fotoelektryczny.Uruchom trzy cykle skanowania. Aby porównać zarejestrowane pomiary napięcia fotoprądowego, wykonaj drugi cykl skanowania każdego eksperymentu w celu analizy. 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. Przechowuj je w atmosferze azotu do czasu przeprowadzenia badań optycznych i spektroskopowych. Mikroskopia sił atomowych w trybie stukania powierzchni fosforku indu typu P przed modyfikacją, po wytrawieniu w roztworze bromu / metanolu i po cyklach elektrochemicznych w kwasie solnym pokazuje, że procedura trawienia usuwa natywny tlenek pozostający na powierzchni.Cykle elektrochemiczne w kwasie solnym powodują znaczny wzrost współczynnika wypełnienia ogniwa, któremu towarzyszy przesunięcie płaskiego pasma fosforku indu typu P z 0,56 V do 0,69 wolta. Osadzona monowarstwa cząstek polistyrenu na podłożu z fosforku indu typu P oraz powierzchnia po osadzeniu rodu i usunięciu cząstek polistyrenu są pokazane za pomocą topografii AFM. Zastosowanie litografii nanosfery cienia skutkuje uzyskaniem dwuwymiarowej struktury okresowego rodu o rozmiarach nanogenicznych z jednorodnym układem otworów w metalicznej przezroczystej folii rodu.Obraz AFM o wysokiej rozdzielczości ilustruje sześciokątną strukturę komórek elementarnych z rozpoznawalnymi ziarnami rodu. Profil wysokości trzech plamek na powierzchni elektrody pokazuje, że siatka rodowa jest jednorodnie rozłożona na powierzchni fosforku indu typu P na wysokości około 10 nanometrów, tworząc warstwę katalityczną. Charakterystyka napięcia fotoprądowego i pomiary chronoamperometryczne nanostrukturalnych fotoelektrod rodowych z fosforku indu typu P w środowiskach lądowych i mikrograwitacyjnych nie wykazują istotnych różnic.Co najważniejsze, przed faktycznym zamknięciem kapsuły wrzutowej należy usunąć luźne i, które nie są dokręcone. Pozostałe mogą zniszczyć zestaw eksperymentalny i instrumenty podczas swobodnego spadania. rod, można W ten sposób powstają różne nanostruktury elektrokatalityczne, co skutkuje różnymi warunkami wydajności.Jest to najprawdopodobniej ten sam przypadek w środowiskach mikrograwitacji. Demonstracja wydajnej fotoelektrochemicznej produkcji wodoru w środowisku mikrograwitacji otwiera nowe ścieżki produkcji tlenu i paliw słonecznych w kosmosie i może przyczynić się do realizacji długoterminowych podróży kosmicznych.

experimental-methods-for-efficient-solar-hydrogen-production

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisana jest realna metodologia oparta na druku transferowym, mająca na celu wprowadzenie plazmonicznych nanostruktur metalowych do ogniw słonecznych.  Wykorzystując nanofilarowe stemple poli(dimetylosiloksanowe), uporządkowany układ nanodysków oparty na Ag zintegrowano ze standardowymi uwodornionymi mikrokrystalicznymi ogniwami słonecznymi Si, co doprowadziło do poprawy wydajności urządzenia dzięki plazmonicznemu pułapkowaniu światła.

Integracja nanostruktur srebra zatrzymujących światło w uwodornionych mikrokrystalicznych krzemowych ogniwach słonecznych za pomocą druku transferowego

Badanie metod generowania wodoru na żądanie dla ogniw paliwowych wciąż zyskuje na znaczeniu. Jednak systemy do pomiaru wydzielania wodoru w wyniku reakcji chemikaliów z wodą mogą być skomplikowane i kosztowne. W tym artykule szczegółowo opisano prostą, tanią i solidną metodę pomiaru wydzielania się wodoru.

Prosty, tani i wytrzymały system do pomiaru objętości wodoru wydzielającego się w reakcjach chemicznych z roztworami wodnymi

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Przedstawiamy protokół poprawy wydajności fotoredukcji CO2 do CH4 poprzez zwiększenie intensywności padającego światła poprzez technologię koncentracji energii słonecznej.

Fotoredukcja CO2 do wydajności CH4 przy skoncentrowanym świetle słonecznym

W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.

Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10

Bezpośrednio włączyliśmy organiczny barwnik na bazie stylbenu do rdzenia kobaloksymu, aby wygenerować diadę fotosensybilizatora-katalizatora do fotokatalitycznej produkcji H2. Opracowaliśmy również prosty układ eksperymentalny do oceny produkcjiH2 sterowanej światłem przez montaże fotokatalityczne.

Opracowanie hybryd fotouczulacza i kobaloksymu do produkcjiH2 napędzanej energią słoneczną w wodnych warunkach tlenowych

Reaktory membranowe umożliwiają uwodornienie w warunkach otoczenia bez bezpośredniego dopływu H2. Możemy śledzić produkcję i wykorzystanie wodoru w tych systemach za pomocą atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS).

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

Protokół ten kieruje wytwarzaniem i analizą elektrochemiczną elektrokatalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez MXene do produkcji zielonego paliwa z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej.

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene

Protokół ten opisuje, jak zbudować i obsługiwać małą, niskokosztową komorę wzrostową zdolną do utrzymania ekstremalnych poziomów dwutlenku węgla (exCO2) podczas eksperymentów roślinnych. Komora umożliwia powtarzalne badania fizjologii mikrozieleni w warunkach atmosferycznych odpowiednich dla lotów kosmicznych, wykorzystując jednopłytowy komputerowy system monitorowania i sterowania oraz pasywny system hydroponiczny odprowadzania knotów.

Budowa i eksploatacja taniej komory wzrostu podwyższonego dwutlenku węgla do oceny fizjologii mikrozieleni przy poziomachCO2 istotnych dla lotów kosmicznych

Konformacja i dynamika białek są kluczem do zrozumienia związku między strukturą a funkcją białka. Wymiana wodorowa w połączeniu ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości jest wszechstronną metodą badania dynamiki konformacyjnej białek, a także charakteryzowania interakcji białko-ligand i białko-białko, w tym interfejsów kontaktowych i efektów allosterycznych.

Analiza dynamiki białek za pomocą spektrometrii mas wymiany wodorowej

Poznaj metodę budowy nanostrukturalnych fotoelektrod do produkcji wodoru w mikrograwitacji. Protokół obejmuje testowanie w Wieży Drop Tower w Bremie oraz analizę zachowania pęcherzyków gazu.

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Przeglądaj więcej filmów