Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

Katharina Brinkert; Ömer Akay; Matthias  H. Richter; Janine Liedtke; Katherine  T. Fountaine; Hans-Joachim Lewerenz; Michael Giersig

doi:10.3791/59122

Методическая статья

Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

DOI:

10.3791/59122

⸱

3 декабря 2019 г.

Katharina Brinkert¹^,² , Ömer Akay³ , Matthias H. Richter¹^,⁴ , Janine Liedtke² , Katherine T. Fountaine⁵^,⁶ , Hans-Joachim Lewerenz⁷ , Michael Giersig³^,⁸

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Эффективное производство солнечно-водородного топлива недавно было реализовано на функционализированных полупроводниковых электрокатализаторских системах в фотоэлектрохимической полуэлементе в микрогравитационной среде в Бременском дроп-тауэр. Здесь мы сообщаем об экспериментальных процедурах производства полупроводниково-электрокатализаторского устройства, подробностях экспериментальной установки в капсуле падения и экспериментальной последовательности во время свободного падения.

Аннотация

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

Долгосрочные космические полеты и научно-исследовательские платформы cis-lunar нуждаются в устойчивом и легком аппаратном обеспечении жизнеобеспечения, которое может быть надежно использовано за пределами атмосферы Земли. Так называемые устройства «солнечного топлива», разработанные в настоящее время для наземного применения в поисках устойчивой энергетической экономики на Земле, обеспечивают перспективные альтернативные системы существующим подразделениям по оживлению воздуха, используемым на Международном пространстве станция (ISS) через фотоэлектрохимическое водорасщеление и производство водорода. Одним из препятствий для воды (фото-) электролиза в условиях пониженной гравитации является отсутствие плавучести и, как это, препятствует выбросу газового пузыря из поверхности электрода. Это приводит к образованию слоев пузырьков газа в непосредственной близости от поверхности электрода, что приводит к увеличению устойчивости к онмии и потери клеточной эффективности из-за снижения массовой передачи субстратов и продуктов к и из электрода. Недавно мы продемонстрировали эффективное производство солнечного водорода в условиях микрогравитации, используя интегрированную полупроводниково-электрокатализаторную систему с фосфидом р-типа в качестве светопоглощателя и родийского электрокатализатора. Путем наноструктуры электрокатализатора с помощью теневой наносферной литографии и тем самым создавая каталитические «горячие точки» на фотоэлектродной поверхности, мы смогли преодолеть ограничения на слияние газовых пузырей и передачу массы и продемонстрировать эффективный водород производства при высокой плотности течения в условиях уменьшенной гравитации. Здесь описаны экспериментальные детали для подготовки этих наноструктурированных устройств и далее, процедуры их тестирования в условиях микрогравитации, реализованной в Бременском drop Tower в течение 9,3 с свободного падения.

Введение

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

Наша атмосфера на Земле формируется в результате кислородного фотосинтеза, процесса 2,3 миллиарда лет, преобразующего солнечную энергию в богатые энергией углеводороды, высвобождая кислород в качестве побочного продукта и используя воду и CO₂ в качестве субстратов. В настоящее время искусственные фотосинтетические системы, следуя концепции энергетической схемы катализа и передачи заряда в естественном фотосинтезе, реализуются в полупроводниковых электрокатализаторских системах, показывая до сих пор эффективность преобразования солнечной к водороду 19 %¹^,²^. В этих с....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка фотоэлектродов p-InP

Используйте один кристалл p-InP (ориентация (111 A), концентрация допинга в размере 5 х 10¹⁷ см^-3) в качестве фотоабсорбциера. Для подготовки к задней контакту испаритесь 4 нм Au, 80 нм и 150 нм Au на обратной стороне и нагреть его до 400 градусов по Цельсию в течение 60 с.
Применить Ag пасты, чтобы прикрепить ohmic контакт с тонкой пластинкой Cu провода. Протяните проволоку к стеклянной трубке, инкапсулируют образец и загерметизм его к стеклянной трубке с помощью черной, химической резистентной эпоксидной смолы.
Для удаления местных оксидов вытравите 0,5 см² полированног....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Офорт поверхности p-InP в_{Br 2}/ метанол для 30 s с последовательным фотоэлектрохимическим кондиционированием образца путем циклиичной поляризации в HCl хорошо зарекомендовал себя в литературе и обсуждается (например, Шульте и Леверенц (2001)¹⁴^,¹⁵). Процедура травления удаляет родной оксид, оставшийся на поверхности(Рисунок 2) и электрохимический велосипед в HCl вызывает кроме того значительн.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Для приготовления фотоэлектродов важно минимизировать воздействие кислорода между травлением и процедурой кондиционирования и очистить 0,5 М ЛЦ перед использованием около 10 - 15 мин с азотом. После того, как образцы кондиционируются, они могут храниться в атмосфере азота в 15 мл конических труб в течение нескольких часов, чтобы обеспечить транспортировку образца и/ или время подготовки масок частиц полистирола. Для достижения однородного расположения сфер ПС на электродном субстрате важно сформировать непрерывную маску .......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

K.B. признает финансирование из программы стипендий Немецкой национальной академии наук Леопольдины, грантLPS 2016-06 и Европейского космического агентства. Кроме того, она хотела бы поблагодарить д-ра Леопольда Саммерера, команду Advanced Concepts Team, Алана Доусона, д-ра Джека ван Лоуна, д-ра Габора Милассина и д-ра Роберта Линднера (ESTEC), Робберта-Яна Нурдама (Notese) и профессора Гарри Б. Грея (Caltech) за их большую поддержку. M.H.R. благодарна за щедрую поддержку профессора Натана С. Льюиса (Caltech). K.B. и M.H.R. признают поддержку Со стороны Института Бекмана Калифорнийского технологического института и Исследовательского центра молекулярной материалов. Ко....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
12,7 мм XZ Столик для перевода типа «ласточкин хвост» с опорной пластиной, метчики M4 (4 x)	Делители луча Thorlabs	DT12XZ/M
(2 x)	Thorlabs	CM1-BS013	50:50 400-700 нм
светоделители (2 x)	Thorlabs	CM1-BS014	50:50 700-1100 нм
Омический обратный контакт: 4 нм Au, 80 нм Zn, 150 нм Au	Out e.V., Берлин, Германия	https://www.out-ev.de/english/index.html	Компания предоставляет на заказ омические задние контакты
Стеклянная трубка, ок. 10 см, внутренний диаметр около 4 мм	, например, Gaß ner Glasstechnik		Изготовленные на заказ
пластины p-InP, ориентация 111A, концентрация легирования Zn: 5 x 10^17 cm^-3	AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. Швейцария		Изготовленная на заказ
фотоэлектрохимическая ячейка для наземных экспериментов	Например, мастерская		Изготовленная на заказ
Matrox 4Sight GPm (бортовой компьютер)	Matrox imaging		Ivy Bridge, 7 x Cable Ace power I/O HRS 6p, открытый 10 м, адаптер питания для Matrox 4sight GPm, Samsung 850 Pro 2,5" 1 ТБ, твердотельный накопитель в обмен на жесткий диск 250 ГБ
2-пропанол	Sigma Aldrich	I9516-500ML
35 мм Kowa LM35HC 1" сенсор F1.4 C-mount (2 x)	Basler AG
Ацетон	Sigma Aldrich	650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl) электрод	сравненияWPI	DRIREF-5
Алюминиевая макетная плата, 450 мм x 450 мм x 12,7 мм, метчики M6 (2 x)	Стакан Thorlabs	MB4545/M
, 100 мл	VWR	10754-948
Черная эпоксидная	электросмазка	ER2162
Бром	Sigma Aldrich	1.01945 EMD Многопоровая
цветная камера (2 x)	Basler AG	acA2040-25gc
Проводящая серебряная эпоксидная смола	MG Chemicals	8331-14G
Медная проволока	E.g., Sigma Aldrich	349224-150CM
Этанол	Sigma Aldrich	459844-500ML
Falcon тубы, 15 мл	VWR	62406-200
Перчаточные мешки	Sigma Aldrich	Z530212
Соляная кислота (1 M)	Sigma Aldrich	H9892
Магнитная мешалка	VWR	97042-626
Метанол	Sigma Aldrich	34860-100ML-R
Предметные стекла для микроскопа	VWR	82003-414
MilliQ камера для воды
NIR (2 x)	Basler AG	acA1300-60g
Азот, класс 5N	Воздушный газ	NI UHP300
ø 1" штабелируемые линзовые трубки (6 x)	Thorlabs	SM1L03
O2 Plasma Facility
OEM Фланец для адаптеров с резьбой SM (4 x)	Thorlabs	SM1F2
Parafilm	VWR	52858-000
Пастеровский пипетка	VWR	14672-380
Хлорная кислота (1 M)	Sigma Aldrich	311421-50ML
Чашка Петри	VWR	75845-546
Фотоэлектрохимическая ячейка для экспериментов в условиях микрогравитации	, например, цех
Частицы полистирола, 784 нм, 5 % (по объему)	Микрочастицы GmbH	0.1-0.99 &; m размер (50 мг/мл): 10 мл, 15 мл, 50 мл
Потенциостатики (2 x)	Биологический	SP-200/300
Pt противоэлектрод	ALS-Japan	12961
Родий (III) хлорид	Sigma Aldrich	520772-1G
Система управления затвором (2 x)
Кремниевый референсный фотодиод	Thorlabs	FDS1010
Хлорид натрия	Sigma Aldrich	567440-500GM
Подставки и стержни для фиксации камер	VWR
Серная кислота (0,5 M)	Sigma Aldrich	339741-100ML
Телецентрический Высокое разрешение Тип WD110 серия Тип MML1-HR110	Basler AG
Толуол	Sigma Aldrich	244511-100ML
Различные запасные стаканы и контейнеры для остатков хлорной кислоты и т.д. для башни падения	VWR
W-I лампа со световодами (2 x)	Edmund Optics	Dolan-Jenner MI-150 Fiber Optic Illuminator
CM-12 электронный микроскоп CM-12 с двойным объективом, система ПЗС-камеры (Gatan) и система энергодисперсионной спектроскопии рентгеновского излучения (EDS)	Philips
Размер Icon AFM, вращающиеся симметричные наконечники ScanAsyst-Air (нитрид кремния), номинальный радиус наконечника 2 нм	Bruker

по стеклу / материалам по стеклу/материалам

Ссылки

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

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).
Young, J. L., Steiner, M. A., Döscher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

В этой статье

Краткое содержание

Аннотация

Введение

Протокол

Результаты

Обсуждение

Раскрытие информации

Благодарности

Материалы

Ссылки

Перепечатки и разрешения

Теги

Похожие статьи