Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler

Published: December 3, 2019 doi: 10.3791/59122
Automatic Translation
1,2, 3, 1,4, 2, 5,6, 7, 3,8
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

Summary

Verimli güneş-hidrojen üretimi son zamanlarda Bremen Drop Tower mikroyerçekimi ortamında bir fotoelektrokimyasal yarı hücreli fonksiyonel yarı iletken-elektrokatalizör sistemlerde gerçekleştirilmiştir. Burada, yarı iletken-elektrokatörekat cihazının üretimi için deneysel prosedürleri, damla kapsülündeki deneysel kurulumun ayrıntılarını ve serbest düşüş sırasındaki deneysel diziyi rapor ediyoruz.

Abstract

Uzun süreli uzay uçuşları ve cis-lunar araştırma platformları, Dünya atmosferinin dışında güvenilir bir şekilde kullanılabilir sürdürülebilir ve hafif bir yaşam destek donanımı gerektirir. Dünya'da sürdürülebilir bir enerji ekonomisini gerçekleştirmek için karasal uygulamalar için geliştirilen sözde 'güneş yakıtı' cihazları, Uluslararası Uzay'da kullanılan mevcut hava canlandırma birimlerine umut verici alternatif sistemler sunmaktadır. İstasyon (ISS) fotoelektrokimyasal su yarma ve hidrojen üretimi ile. Azaltılmış yerçekimi ortamlarında su (foto-) elektroliz için bir engel yüzdürme ve sonuç olarak, elektrot yüzeyinden engellenen gaz kabarcığı serbest. Bu elektrot yüzeyine yakın gaz kabarcık köpük katmanları oluşumuna neden olur, ve elektrot azaltılmış kütle transferi nedeniyle ohmik direnç ve hücre verimliliği kaybına yol açan. Son zamanlarda, mikroyerçekimi ortamında etkin güneş hidrojen üretimi göstermiştir, ışık emici ve rodyum elektrokatalizör olarak p-tipi indiyum fosfat ile entegre bir yarı iletken-elektrokatalizör sistemi kullanarak. Gölge nanosphere litografisi kullanarak elektrokatalizör nanoyapıve bu nedenle fotoelektrot yüzeyinde katalitik 'sıcak noktalar' oluşturarak, gaz kabarcığı birleştirme ve kütle transferi sınırlamaları üstesinden gelebilir ve verimli hidrojen gösterdi azaltılmış yerçekimi yüksek akım yoğunluklarında üretim. Burada, deneysel ayrıntılar bu nanoyapılı cihazların hazırlıkları için açıklanmıştır ve daha fazla, mikroyerçekimi ortamında test için prosedür, Serbest düşüş 9.3 s sırasında Bremen Drop Kulesi'nde gerçekleştirilen.

Introduction

Dünya'daki atmosferimiz, güneş enerjilerini enerji açısından zengin hidrokarbonlara dönüştüren, oksijeni yan ürün olarak serbest bırakan ve su ve CO2'yi substrat olarak kullanan 2,3 milyar yıllık bir süreç olan oksijenik fotosentez le oluşur. Şu anda, doğal fotosentezde enerjik Z şeması ve doğal fotosentezde yük transferi kavramını takip eden yapay fotosentetik sistemler yarı iletken-elektrokatalizör sistemlerde gerçekleştirilerek şimdiye kadar güneşten hidrojene dönüşüm verimliliğini 19 %1,2,3olarak gösterir. Bu sistemlerde yarı iletken malzemeler, ince, saydam bir elektrokatalizör tabakası ile kaplanmış ışık emiciler olarak kullanılmaktadır4. Bu alanda yoğun araştırma hidrojen ve uzun zincirli hidrokarbonlar alternatif bir yakıt kaynağı için mükemmel adaylar yapma yenilenebilir enerji sistemleri için küresel arayışı tarafından teşvik edilir. Benzer engeller, Dünya'dan kaynak temininin mümkün olmadığı uzun vadeli uzay görevlerinde de karşı karşıya dır. Güvenilir bir yaşam destek donanımı gereklidir, mürettebat üyesi başına yılda yaklaşık 310 kg oksijen sağlayan verimli bir hava canlandırma ünitesi istihdam, ekstravehiküler faaliyetler için muhasebe değil5. Verimli bir güneş suyu yarma cihazı, oksijen ve hidrojen üretme yeteneğine sahip veya karbondioksit güneş destekli azaltmak ve yekpare bir sistemde iss şu anda istihdam teknolojileri için alternatif, hafif bir rota sağlayacak: hava canlandırma ünitesi bir alkali elektroliz, katı bir amin karbondioksit konsentür ve CO2azaltılması için bir Sabatier reaktör ile ayrılmış bir sistem oluşur .

Benzeri görülmemiş bir şekilde, bremen Drop Tower (ZARM, Almanya)6serbest düşüş sırasında 9.3 s tarafından sağlanan mikroyerçekimi ortamında verimli güneş-hidrojen üretimi gerçekleştirdi. Yarı iletken bir ışık emici olarak p-tipi indiyum fosfat kullanarak7,8 nanoyapılı rodyum elektrokatalizör ile kaplanmış, biz ve fotoelektrot yüzeyinden substrat ve ürün kütle transferi sınırlamaları üstesinden, hangi yüzdürme olmaması nedeniyle azaltılmış yerçekimi ortamlarında bir engeldir9,10. Gölge nanosphere litografi11,12 doğrudan fotoelektrot yüzeyine uygulanması rodyum katalitik 'sıcak noktalar' oluşumunu sağladı, hangi hidrojen gaz kabarcık birleştirme ve elektrot yüzeyine yakın bir köpük tabakası oluşumunu engelledi.

Burada yüzey gravür ve koşullandırma dahil olmak üzere p-InP fotoelektrot hazırlığının deneysel detaylarını, ardından elektrot yüzeyine gölge nanosphere litografisinin uygulanmasını ve rodyumun fotoelektroelektrotpozisyonunu saklı tutarak polistiren küreler aracılığıyla nano tanecikleri. Ayrıca, Bremen Drop Tower'daki damla kapsülündeki deneysel kurulum açıklanmış ve serbest düşüşün 9.3 s'lik bölümünde deneysel dizinin ayrıntıları verilmiştir. Her damladan önce ve sonra örnek taksit ve işleme yanı sıra bırakma kapsülü ve aydınlatma kaynakları, potansiyostats, deklanşör kontrolleri ve video kameralar komutu üzerine çalıştırmak için ekipman hazırlanması özetlenmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. P-InP fotoelektrotlarının hazırlanması

  1. Fotoemici olarak tek kristal p-InP (oryantasyon (111 A), Zn doping konsantrasyonu 5 × 1017 cm-3)kullanın. Geri temas hazırlığı için, gofretin arka tarafında 4 nm Au, 80 nm Zn ve 150 nm Au buharlaşın ve 60 s için 400 °C'ye ısıtın.
  2. Ohmik kontamı ince kaplama cu teline takmak için Ag macunu uygulayın. Kabloyu cam bir tüpe bağlayın, numuneyi kapsülleyin ve siyah, kimyasala dayanıklı epoksi kullanarak cam tüpe kapatın.
  3. Yerli oksitleri gidermek için p-InP'nin 0,5 cm2 cilalı indiyum yüzeyini 10 mL brom/metanol çözeltisinde (0,05 % w/v) 30 s'ye emdirin, yüzeyi her biri 10'ar s'lık etanol ve ultrasaf suyla durulayın ve numuneyi azot akısı altında kurulayın. Organik kirlilik seviyesi 50 ppb'nin altında olan ultra saf su ve analitik kalitedeki kimyasallardan gelen çözümleri hazırlayın.
    DİkKAT: Brom solunması üzerine akut toksisite, cilt korozyonu ve akut sutoksisitesi neden olur. Güvenlik gözlükleri, eldivenler ve laboratuvar önlüğü gibi koruyucu ekipmanlar giyin. Duman kaputunun altında çalış. Metanol yanıcıdır, akut toksisiteye (oral, dermal ve inhalasyon) neden olur ve spesifik hedef organ toksisitesine neden olduğu bilinmektedir. Güvenlik gözlükleri, eldivenler ve laboratuvar önlüğü gibi koruyucu ekipmanlar giyin. Duman kaputunun altında çalış.
  4. Daha sonra, standart üç elektrot potansiyostatik düzenleme p-InP elektrot fotoelektrokimyasal durum. İşlem sırasında numuneyi beyaz ışıktungsten halojen lamba (100 mW/cm2)ile aydınlatmak için kuvars pencereli borosilikat cam hücreyi fotoelektrokimyasal hücre olarak kullanın.
  5. Ayarlanmış silikon referans fotodiyot ile ışık yoğunluğunu ayarlayın.
  6. 0,5 M HCl çözeltisi hazırlayın ve fotoelektrokimyasal hücrede 5,0 saflıkta 15 dakika boyunca temizle.
  7. -0,44 V und +0,31 V arasında, numuneyi sürekli aydınlatma altında fotoelektrokimyasal olarak koşullandırmak için 50 mV s-1'lik bir tararak ile potansiyodinamik bisiklet kullanın.
    DİkKAT: Hidroklorik asit ciddi göz hasarına, deri dekorozyonuna ve metallere zarar verir. Ayrıca, tek maruz iyelik sonrasında spesifik hedef organ toksisitesi sahiptir. Güvenlik gözlükleri, eldivenler ve laboratuvar önlüğü gibi koruyucu ekipmanlar giyin. Duman kaputunun altında çalış.

2. Rodyum nanoyapıların imalatı

  1. P-InP fotoelektrot üzerinde rodyum nanoyapıların oluşumu için gölge nanosphere litografi (SNL)11,12 istihdam. P-InP elektrotunda polistiren maskeler oluşturmak için, %5 (w/v) konsantrasyonda 784 nm büyüklüğünde tek dağılmış polistiren boncuklar elde edin ve ultra saf suda çözünür.
  2. 600 μL'lik son hacmi elde etmek için, polistiren boncuk dağılımının 300 μL'sini %1 (w/v) stiren ve %0,1 sülfürik asit (v/v) içeren 300°L etanol ile karıştırın.
  3. Çözeltiyi kavisli uçlu pasteur pipetkullanarak su yüzeyine uygulayın. Monokristalin yapıların alanını artırmak için Petri kabını nazikçe çevirin. HCP monolayer ile hava-su arabiriminin %50'sini kapsayacak şekilde çözümü dikkatlice dağıtın. Stres gevşemesi için yer bırakın ve sonraki hazırlık adımları sırasında kafes çatlaklar oluşturmaktan kaçının.
  4. Fotoelektrokimyasal olarak koşullandırılmış p-InP elektrotlarının Cu kablosunu parafilm ile koruyun. Bunları dikkatlice bir mikroskop slaytına bantlayarak yüzen kapalı paketlenmiş PS küre maskesinin altına yerleştirin ve örneklerin dönmesini engelleyin. Bir pipetle ve buharlaşma ile artık suyu yavaşça çıkarın ve maskenin daha sonra elektrot yüzeyine birikmesine neden olun.
  5. Elektrotu Petri kabından çıkarve yüzeyi N2ile hafifçe kurutun. Elektrot, rodyum fotoelektroelektrotpozisyonuna kadar (örneğin, bir kurutucuda) azot altında saklayın.
    NOT: Protokol burada bir haftaya kadar duraklatılabilir.

3. Rodyum nano partiküllerin fotoelektrotpozisi

  1. PS küre maskesi ile rodyum nano taneciklerinin fotoelektrokimyasal birikme için, 5 mM RhCl3,0,5 M NaCl ve % 0,5 (v/v) 2-propanol içeren bir elektrolit çözeltisi elektrot yerleştirin ve bir W-I lamba (100 mW/cm2)ile eşzamanlı aydınlatma altında 5 s vdep = +0,01 V sabit bir potansiyel uygulayın. Elektrokimyasal hücre, referans ve karşı elektrot gibi elektrokimyasal özellikler fotoelektrokimyasal klima prosedürü ile aynıdır.
  2. Fotoelektrot'ı ultra saf suyla durulayın ve N2'ninyumuşak bir akışı altında kurulayın.
  3. PS kürelerini elektrot yüzeyinden çıkarmak için elektrotları 20 dk boyunca 10 mL tolüen içeren bir kabın içinde hafif çetrenin altına yerleştirin (elektrot tolüen ile kaplanmalıdır). Daha sonra elektrotu 20'şer s'lik aseton ve etanolle durula.
  4. 0,16 mbar, 65 W ve O2 ve Ar 2 sccm ve 1 sccm gaz girişleri bir proses basıncında 6 dakika için O2-plazma temizleme ile yüzeyden artık karbon çıkarın.
  5. Numuneleri damla kulesindeki testlerden bir hafta öncesine kadar hazırlayın ve karanlıkta N2 atmosferinin altındaki deneylere kadar (örn. bir torpido torbasında veya kurutucuda) saklayın.
    NOT: Protokol burada yaklaşık 1-2 hafta duraklatAbilir.

4. Mikroyerçekiminde fotoelektrokimyasal deneyler

  1. Mikroyerçekimi ortamındaki deneyler için, büyük damla kule tesislerinden biriyle (örneğin, Uygulamalı Uzay Teknolojisi ve Mikroyerçekimi Merkezi (ZARM), Bremen Almanya) ile iletişime geçin.
    NOT: Bir mancınık sistemi ile ZARM'de 9,3 s mikroyerçekimi ortamı yaklaşık 10-6 m·s-2 13'lükminimum g seviyesi ile üretilebilir. Hidrolik kontrollü pnömatik piston-silindir sistemi, kulenin altından yukarı doğru açılan kapsülü(Şekil 1A)başlatmak için kullanılır. Kapsül serbest düşüş sırasında silindir sistemi üzerine yerleştirilir bir kapta tekrar yavaşlar.
  2. Fotoelektrokimyasal deneyler için iki bölmeli fotoelektrokimyasal hücre (her hücrenin dolum hacmi: 250 mL) kullanın. Her hücrenin ön kısmı, çalışan elektrodu aydınlatmak için optik kuvars cam pencereden (çap: 16 mm) oluşmalıdır (Bkz. Şekil 1B).
  3. Bir Pt sayıcı elektrot ve HClO4 (1 M) bir Ag /AgCl (3 M KCl) referans elektrot ile fotoelektrokimyasal ölçümler için her hücrede üç elektrotlu bir düzenleme istihdam. Yüzey gerilimini azaltmak ve gaz kabarcığı salınımını artırmak için elektrolite %1 (v/v) isopropanol ekleyin. Optik pencerelerden her hücre bölmesi aydınlatmak için bir W-I beyaz ışık kaynağı kullanın.
    DİkKAT: Konsantre perklorik asit güçlü bir oksitleyicidir. Oksidasyondan oluşan organik, metalik ve organik olmayan tuzlar şoka duyarlıdır ve büyük bir yangın ve patlama tehlikesi oluşturur. Güvenlik gözlüğü, eldiven ve koruyucu laboratuvar önlüğü giyin. Duman kaputunun altında çalışın ve tezgah üstü depolama süresini en aza indirin.
  4. Gaz kabarcığı araştırmaları için, optik aynalar ve ışın bölücüler (örneğin, ön tarafta bir renkli kamera ve yan tarafta bir monokromatik kamera, bkz. Her bırakma için, kaydedilen verileri açılan kapsüldeki entegre bir karton bilgisayarda saklayın. Tek resimleri kare hızında (örn. 25 fps (renkli kamera) ve 60 fps (monokromatik kamera) kaydedin.
  5. Damla kapsülbirkaç panoları ile donatılmıştır(Şekil 1). Fotoelektrokimyasal kurulumu ve kameraları optik bir tahtaya monte edin ve kapsüldeki orta tahtalardan birine takın. Kalan panoları potansiyostatlar, ışık kaynakları, deklanşör kontrolleri ve tahta bilgisayar gibi ek ekipmanların taksitlendirmesi için kullanın. Serbest düşüş sırasında kurulumu sağlamak için kapsülün alt panosuna bir pil kaynağı takın (Şekil 1).
  6. Mikroyerçekimi ortamında kontrol edilmesi ve yürütülmesi gereken deneysel adımlar için otomatik bir damla sırası yazın. Program her damladan önce başlatılmalıdır. Mikroyerçekimi ortamına ulaştıktan sonra, sekans otomatik olarak kameralar, aydınlatma kaynakları ve 9.3 s boyunca elektrokimyasal deney başlatırken aynı anda bir pnömatik sistem kullanarak elektrolit içine çalışan elektrot daldırma (Bkz. Şekil 1, Tablo 1).
  7. Fotoelektrokimyasal ölçümlerde (örneğin, döngüsel voltammetri ve kronoforrometri) numuneler üzerinde ışık destekli hidrojen üretiminin araştırılması.
    1. Kapsüldeki iki potansiyostat ile elektrokimyasal parametreleri kontrol edin. J - V ölçümlerinde optimum çözünürlükler için, +0,25 V ile Ag/AgCl (3 M KCl) gerilim aralıkları kullanarak bisiklet voltammetri deneylerinde 3 tbmm döngüsü çalıştırmak için 218 mV/s ile 235 mV/s arasında tbmkasyon hızlarını (dE/dt) kullanın. Başlangıç potansiyelini kullanır, Ei = +0.2 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) ve bitirme potansiyeli, Ef = +0.2 V vs Ag/AgCl (3 M KCl). Kaydedilen J - V ölçümlerini karşılaştırmak için, analiz için her deneyin ikinci tarar döngüsünü yapın.
    2. Kronoformetrik ölçümlerde, numunetarafından üretilen fotoakımı kaydetmek için üretilen mikroyerçekimi ortamının 9.3 s'lik zaman ölçeğini kullanın. Üretilen fotoakımları karşılaştırmak için -0,3 V ile -0,6 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) potansiyel aralıkları uygulayın.
  8. Her damlanın sonunda, damla kapsülü tekrar sıfır hıza yavaşladığında, numunenin elektrolit ve kameralardan, potansiyostatlardan ve aydınlatma kaynaklarından çıkarılmasını sağlamak için damla sırasını kullanın.
  9. Kapsülü yavaşlama kabından aldıktan sonra kapsül koruma kalkanını çıkarın. Pnömatik stative örnekleri çıkarın, ultra saf su ile durulayın ve nazik azot akısı altında kurulayın. Optik ve spektroskopik incelemeler yapılana kadar N2 atmosferinin altında saklayın.
  10. İki hücrede elektrolit değişimi, yeni örnekler ile hücreleri donatma önce tüm araçların işlevini sağlamak ve başka bir damla deney için kapsül hazırlamak.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

P-InP yüzeyinin Br2/metanolte 30 s'de hcl'de bisikletpolarizasyonu ile numunenin ardışık fotoelektrokimyasal koşullandırılması ile aşındırılması literatürde iyi bir şekilde oluşturulmuş ve tartışılmıştır (örneğin, Schulte & Lewerez (2001) tarafından14,15). Gravür işlemi yüzeyde kalan doğal oksit kaldırır(Şekil 2) ve HCl elektrokimyasal bisiklet hücre performansının dolgu faktörü önemli bir artışa neden olur, p-InP düz bir bant kayması eşliğinde +0.56 V için +0.69 V15. Ayrıca HCl fotokatotik olarak döngüsel polarizasyon sırasında pasif tabaka oluşumu InP yüzeyini anodik korozyona karşı korur. Koşullandırma işleminden sonra, p-InP yüzeyinde 784 nm polistiren lateks nanospheres kendi kendine montaj rh biriktirme işlemi sırasında bir litografik maske olarak hizmet veren bir kolloidal parçacık monolayer oluşumu için istihdam edilmektedir(Şekil 3A,B). Şekil 3B, PS kürelerinin çıkarılmasından sonra fotoelektrotun AFM görüntüsünü gösterir. SNL uygulaması, metalik, saydam Rh filminde homojen bir delik dizisi ne kadar nanoboyutlu, iki boyutlu periyodik Rh yapısı ile sonuçlanır. Yüksek çözünürlüklü AFM görüntüsü(Şekil 3C), Şekil 3D'deki Rh kesit profillerinin tanınabilir taneleri ile altıgen birim hücre yapısını göstermektedir ve rodyum örgüsünün yaklaşık 10 nm yükseklikte p-InP yüzeyinde homojen bir şekilde dağıtıldığını ve katalitik bir tabaka oluşturduğunu göstermektedir. Karşılıklı kafes alanını temsil eden kırınım noktalarının uzaklığı olan kafes düzleminin mesafesini belirlemek için kombine yüksek çözünürlüklü TEM ve FFT analizi kullanılmıştır. Hesaplamalarımız, kafes düzleminin 2,17 ila 2,18 Å sırasına göre olduğunu ve biriken rodenin (111) kübik yapısını doğruladığını göstermektedir (Şekil 4). X-ışını fotoelektron spektroskopisi nanoyapılı p-InP-Rh elektrotun bir InOx/POx tabakası içerdiğini ve kanıtın 128.4 eV'de daha büyük InP sinyali ile sağlandığını ortaya koymaktadır. Ps kürelerinin kaldırılmasından kaynaklanan açık InP alanları nedeniyle bu şaşırtıcı değildir; burada, InP doğrudan çevreye maruz kalır (yani, hava ve elektrolit (Şekil 5)).

Mikroyerçekimi ortamının 1960'lardan beri bilinen suyun elektrolizi üzerinde önemli bir etkisi olduğu gösterilmiştir ve azaltılmış yerçekiminin kabarcıkve damlaların hareketi üzerindeki etkisi iyi belgelenmiştir (örn. bkz. Çalışmalar özellikle bir su elektroliz bileşeni içeren uzay yolculuğu için bir yaşam destek sistemi geliştirme çerçevesinde yapılmıştır.

'Karanlık' deneylerde mikroyerçekimi ortamında su elektrolizi şimdiye kadar araştırmalar elektrot yüzeylere yakın istikrarlı bir gaz kabarcık köpük tabakası oluşumu sonuçlandı ve eşlik eden ohmik direnç hem asidik ve alkali elektrolitler köpük tabakası kalınlığı doğrusal arttı17,18,19. Ayrıca, gaz kabarcıkları çapı arttı ve kabarcıklar iki yarım hücre ayıran membran bağlı20,21. Ayrıca, kabarcık kaynaklı mikrokonveksiyon mikroyerçekimi ortamlarda kütle transferi hakim olduğu gösterilmiştir8,21 ve elektrot yüzeyine substrat su kütle transferi kontrol su elektrolizi, hangi elektrot reaksiyonu ile normal yerçekimi koşullarında kontrol edilir22.

Burada kullanılan nanoyapılı p-InP-Rh fotoelektrotlar SNL üzerinden üretilen bu sorunun üstesinden gelebilir: fotoakım-voltaj ölçümleri 1 M HClO4 karasal olarak test edilmiş numuneler ve Bremen Drop Tower mikroyerçekimi ortamında test örnekleri arasında önemli farklılıklar göstermez (Şekil 6A,B)6. J-V karakteristikleri(Şekil 6A),ayrıca nanoyapılı örneklerin kronoforerometrik ölçümleri(Şekil 6B)karasal ve mikroyerçekimi ortamında hemen hemen aynıdır. Açık devre potansiyeli (VOC)arasındaki fark, daha önce6'dagösterildiği gibi fotoelektrotların performans farklılıklarına bağlanır. SNL tarafından p-InP yüzeyinde tanıtılan rodyum katalitik 'sıcak noktalar' fotoelektrot yüzeyinde farklı noktalarmeydana gaz kabarcıkları oluşumunu sağlar, kabarcık birleşmesini önlemek ve gaz kabarcığı serbest verimi artan. Elektrolite %1 (v/v) isopropanol eklenmesi elektrolitin yüzey gerilimini de azaltarak elektrot yüzeyinden tercih edilen gaz kabarcığı ayrılmasına yol açar.

Figure 1
Şekil 1: Mikroyerçekimi ortamında ki elektrokimyasal deneylerin deneysel kurulumu şeması. Görüntüler, donatılmış damla kapsül(A)ve damla kapsülün ikinci platformundaki fotoelektrokimyasal kurulumun ayrıntılarını(B)göstermektedir. Kapsül serbest düşüş sırasında güç kaynağı için pil içerir (platform 5), deneysel kontrol için kapsül kontrol sistemi (platform 4), iki W-I ışık kaynakları ve bir tahta bilgisayar (platform 3, Malzeme Tablosubakınız), dört dijital fotoğraf makinesi (platform 2) ve iki potansiyostats ve iki deklanşör kontrol kutuları (platform 1) dahil fotoelektrokimyasal kurulum. Fotoelektrokimyasal kurulum (platform 2) dört dijital fotoğraf makinesi ışın bölücüler aracılığıyla her elektrokimyasal hücrenin önünden fotoelektrot üzerinde gaz kabarcığı oluşumu nu kaydetmesağlar ve aynalar aracılığıyla yandan. Fotoelektrotlar hücrenin önündeki ışın bölücülerinden aydınlatıldı. Bir pnömatik kaldırma rampası ile fotoelektrotlar mikroyerçekimi koşullarına ulaşmadan hemen önce elektrolite daldırılır. Bu rakam Brinkert ve ark. (2018)6'dandeğiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: P-InP yüzeyinin dokunma modu AFM topografya görüntüleri yüzey modifikasyonları adımlarından önce ve sonra. Panel A, modifikasyon işlemlerinden önce p-InP yüzeyini gösterir, (B) brom/metanol çözeltisi içinde yüzeyi aşındırdıktan sonra ve (C) numuneyi HCl.(D) p-InP numunesindeki (mavi çizgi) terasların yükseklik dağılımının histogram analizini, brom/metanol (sarı çizgi) ve HCl(kırmızı çizgi) kondisyonundan sonra kondisyon sonrası gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Gölge nanosphere litografisi uygulamasından sonra p-InP yüzeyinin dokunma modu AFM topografya görüntüleri (bkz. (B,C) Rodyum birikimi ve iki büyütme polistiren parçacıkların kaldırılmasından sonra yüzey. (D) Elektrot yüzeyinde üç farklı noktanın yükseklik profili, biriken Rh kafesin daha fazla karakterizasyonuna olanak sağlamak için oluşturulmuştur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Farklı büyütmelerde p-InP elektrotüzerinde fotoelektrotyumlu rodyum tanelerinin yüksek çözünürlüklü TEM analizi (bkz. 2D-Fourier dönüşüm görüntüleri, kübik yapılar için tipik olan 2.2 Å (111) kafes düzlem aralığına sahip ilgili kırınım deseni gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Nanoyapılı p-InP-Rh fotoelektrotlarının X-ışını fotoelektron spektrumları. (A) 3d çekirdek seviyelerinde; (B) P 2p çekirdek düzeyleri ve (C) Rh 3d çekirdek düzeyleri. Çizgilerin altındaki renk kodlaması, göstergede gösterildiği gibi ilgili kompozisyonu ifade eder. Bu rakam Brinkert ve ark. (2018)6'dandeğiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Mikroyerçekimi ortamında fotoelektrokimyasal deneylerin sonuçları. (A) Nanostructured p-InP-Rh fotoelektrotların karasal (1 g, kırmızı) ve mikroyerçekimi ortamlarında (10-6 g, mavi) 1 M ClO4'te %1 (v/v) izopropanol ilavesi ile 70 mW/cm 2 aydınlatmalı elektrolitin w-i lamba ile ölçülmesiyle. Karasal ve mikroyerçekimi koşullarında nanoyapılı örneklerin V OC'sindeki farklılıklar, daha önce6'dagösterildiği gibi fotoelektrotların performans farklılıklarına tabidir. (B) Nanoyapılı p-InP-Rh fotoelektrotların karasal (kırmızı) ve mikroyerçekimi ortamında (10-6 g, mavi) kronoforometrik ölçümleri 1 M ClO4'te %1 (v/v) izopropanol ilavesi ile 70 mW/cm2 aydınlatma lı w-i lamba ile elektrolit. Uygulanan potansiyel -0.09 V vs RHE olarak ayarlandı. Ölçümlerin sonunda artan sinyal-gürültü oranı 9.3 s. Sonra damla kapsül yavaşlama kaynaklanmaktadır bu rakamın daha büyük bir sürümünü görmek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 1: Bremen Drop Tower'da mikroyerçekimi ortamında fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi için ayrıntılı deneysel sekans. Bu tablo Brinkert et al. (2018)6olarak değiştirilmiştir. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fotoelektrotların hazırlanması için, gravür ve klima prosedürü arasındaki oksijen maruziyetini en aza indirmek ve 0,5 M HCl'yi kullanmadan önce yaklaşık 10 - 15 dk azot ile temizlemek önemlidir. Numuneler şartlandırıldıktan sonra, polistiren partikül maskelerinin numune taşınması ve/veya hazırlanması için 15 mL konik tüplerde azot atmosferi altında birkaç saat saklanabilir. ELEKTROT substratı üzerinde PS kürelerinin homojen bir şekilde düzenlenmesi için, su yüzeyinde sürekli, yansıtıcı bir film olarak gözlemlenebilen PS kürelerinin sürekli bir maskesinin oluşması önemlidir. Maske oluşturulduktan sonra ardışık rodyum fotoelektroelektrot pozisyonu adımı 2 - 3 saat içinde takip edilmelidir. Elektrot üzerindeki PS kürelerinin homojen bir monotabakası için en iyi sonuçlar, borulama ile suyu dikkatlice çıkarmak yerine yavaş su buharlaşması ile elde edilir. Maske elektrot yüzeyinde birkaç gün stabildir, ancak rodyumun direkt fotoelektroelektrotpozisyonu önerilir. PS maskesiile elektrotun, PS kürelerinin çözünmesini önlemek için birikmeden kısa bir süre önce sulu RhCl3 çözeltisine konulması ve birikmeden sonra çıkarılması önemlidir. SNL uygulamasından ve PS kürelerinin elektrot yüzeyinden çıkarılmasından kaynaklanan fotoelektrottaki artık yüzey oksitlerinin giderilmesi için, yukarıdaki protokole göre polistiren partiküllerin çıkarılmasından sonra HCl'de yaklaşık 10 döngü boyunca bisiklet polarizasyon adımını tekrarlamaları tavsiye edilir.

Serbest düşüşün 9.3 s sırasında fotoelektrokimyasal ölçümler için bazı yönleri göz önünde bulundurulmalıdır. Deneyin zamanlaması çok önemlidir ve programlanmış damla sırası, deneysel kurulumla birlikte damla kapsülü damla kulesine aktarılmadan önce karasal koşullarda dikkatle test edilmelidir. Kapsülü kapatmadan önce, potansiyostatların ve ışık kaynaklarının açık olmasını ve ek vida ların ve aletlerin kapsülden çıkarılmasını sağlamak için son bir ekipman kontrolü önerilir. Kapsüldeki güvenli olmayan maddeler serbest düşüş sırasında deneysel kurulumu kolayca yok edebilir.

Damla kulesinin içindeki fotoakım-gerilim davranışının ölçülmesi için önemli bir parametre kamera merceği ayarlanması gereken ışık yoğunluğudur: gaz kabarcığı evrim davranışı hücreye bağlı kameralar aracılığıyla eş zamanlı olarak kaydedilirse, >70 mW/cm2'de doğrudan aydınlatma fotoelektrokimyasal hücrenin önünden gaz kabarcıklarının kaydedilmesi hariçtir; gelen ışık lensleri kör eder. Serbest düşüş sırasında ki elektrot görüntüleri, lens koruması nın başka bir uygulaması olmaksızın sadece ışık yoğunluklarında ≤ 70 mW/cm2'de kaydedilebilir ve değerlendirilebilir. 9.3 s'lik deneysel zaman da fotoelektrokimyasal ölçümlerin tasarımında göz önünde bulundurulmalıdır; J - V ölçümleri için, bisiklet voltammetri deneylerinde yaklaşık 3 tbmkasyon döngüsüne izin vermek için 218 mV/s ile 235 mV/s arasında tbmm hızları (dE/dt) kullanılmıştır. Kaydedilen J - V ölçümlerini karşılaştırmak için, her deneyin ikinci tarar döngüsünün analiz için alınması önerilir.

Bremen Drop Tower'da 10-6 g'lık mükemmel mikroyerçekimi kalitesi göz önüne alındığında, uçağın ek mekanik hareketleri nedeniyle parabolik uçuşlarda su elektrolizi deneylerinde daha zor olduğu tespit edilen video kayıtlarında gaz kabarcığı oluşumunun analizi mümkündür (örn. g-jitter)21. Ücretsiz uçuş sırasında veri depolama için bir tahta bilgisayar kullanarak yeterli bir alternatif olduğu gösterilmiştir (Malzeme Tablosubakınız).

Sonuç olarak, gölge nanosfer litografisi doğrudan yarı iletken bir yüzeye elektrokatalizör nanoyapı tanıtmak için kolay ve değerli bir araçtır - çeşitli polistiren parçacık boyutları ışık emici yüzeyde katalitik aktif sitelerin boyutunu değiştirmek için kullanılabilir. Elektrokatalizör (foto-)elektrodepozisyon ve buharlaşma gibi farklı elektrokatalizör biriktirme prosedürleri katalitik şekillerin değişimini sağlar. Bu yöntem, fotoelektrot yüzeyinde elektrokatalitik olarak aktif 'sıcak noktalar' oluşturarak mikroyerçekimi ortamında ışık destekli hidrojeni verimli bir şekilde üreten cihazların tasarlanmasına olanak sağlar. Mikroyerçekimi ortamında uzun vadeli çalışmalar hala araştırmak ve uzay ortamında uygulama için cihazların kararlılığını optimize etmek için gerekli olmasına rağmen, p-InP zaten birTiO 2 koruma tabakası nın piyasaya sürülmesi üzerine karasal koşullarda istikrarlı bir fotokatofak malzeme olduğu gösterilmiştir, malzemenin fotokorozyonu önlenmesi23.

Uygulamalı Uzay Teknolojisi ve Mikroyerçekimi Merkezi'ndeki Bremen Drop Tower (ZARM) gibi damla kule tesislerinin, serbest düşüş sırasında bu cihazların fotoelektrokatalitik performansının araştırılmasına olanak sağlayan mükemmel mikroyerçekimi tesisleri olduğunu gösterdik. Onlar 9.3 s bir zaman aralığı üzerinde yüksek mikroyerçekimi kalitesi ile Uluslararası Uzay İstasyonu için kolay erişim, düşük maliyetli bir alternatif sağlar. Burada bildirilen deneysel set bu nedenle daha fazla fotoelektrokimyasal yarı hücre reaksiyonları ve uzun süreli uzay seyahatleri ve karasal uygulamalar için yaşam destek donanımı geliştirmek ve optimize etmek için azaltılmış yerçekimi ortamlarında yardımcısız su bölme ve CO2 azaltma için cihazların araştırılması için ideal bir başlangıç noktası sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

K.B., Alman Ulusal Bilimler Akademisi Leopoldina, grant LPDS 2016-06 ve Avrupa Uzay Ajansı burs programından fon kabul ediyor. Ayrıca, Dr Leopold Summerer, Advanced Concepts Team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin ve Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) ve Prof. Harry B. Gray'e (Caltech) büyük desteklerinden dolayı teşekkür eder. M.H.R. Prof. Nathan S. Lewis'in (Caltech) cömert desteği için minnettardır. K.B. ve M.H.R. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Beckman Enstitüsü ve Moleküler Malzeme Araştırma Merkezi'nin desteğini kabul ediyor. PhotoEChem Ekibi, 50WM1848 numaralı proje için Alman Havacılık ve Uzay Merkezi'nden (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) yapılan fonları büyük ölçüde kabul eder. Ayrıca, M.G. Guangdong Yenilikçi ve Girişimci Ekip Programı"nın "Optoelektronik Cihazlarda Işık Yönetimi için Plazmonik Nanomalzemeler ve Kuantum Noktaları" (no. 2016ZT06C517) başlıklı finansmanı kabul eder. Ayrıca yazar ekibi, Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode ve Dr. Thorben Könemann ile zarm ekibinin çaba ve desteğini büyük ölçüde kabul ediyor. Ayrıca Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda Üniversitesi), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Üniversitesi) ve Dr. Slobodan Mitrovic (Lam Research) ile yapılan aydınlatıcı tartışmalar için de müteşekkirdir.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
12.7 mm XZ Dovetail Translation Stage with Baseplate, M4 Taps (4 x) Thorlabs DT12XZ/M
Beam splitters (2 x) Thorlabs CM1-BS013 50:50 400-700nm
Beamsplitters (2 x) Thorlabs CM1-BS014 50:50 700-1100nm
Ohmic back contact: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm Au Out e.V., Berlin, Germany https://www.out-ev.de/english/index.html Company provides custom made ohmic back contacts
Glass tube, ca. 10 cm, inner diameter about 4 mm E.g., Gaßner Glasstechnik Custom made
p-InP wafers, orientation 111A, Zn doping concentration: 5 x 10^17 cm^-3 AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. Switzerland Custom made
Photoelectrochemical cell for terrestrial experiments E.g., glass/ materials workshop Custom made
Matrox 4Sight GPm (board computer) Matrox imaging Ivy Bridge, 7 x Cable Ace power I/O HRS 6p, open 10m, Power Adapter for Matrox 4sight GPm, Samsung 850 Pro 2,5" 1 TB, Solid State Drive in exchange for the 250Gb hard drive
2-propanol Sigma Aldrich I9516-500ML
35mm Kowa LM35HC 1" Sensor F1.4 C-mount (2 x) Basler AG
Acetone Sigma Aldrich 650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl) reference electrode WPI DRIREF-5
Aluminium breadboard, 450 mm x 450 mm x 12.7mm, M6 Taps (2 x) Thorlabs MB4545/M
Beaker, 100 mL VWR 10754-948
Black epoxy Electrolube ER2162
Bromine Sigma Aldrich 1.01945 EMD Millipore
Colour camera (2 x) Basler AG acA2040-25gc
Conductive silver epoxy MG Chemicals 8331-14G
Copper wire E.g., Sigma Aldrich 349224-150CM
Ethanol Sigma Aldrich 459844-500ML
Falcon tubes, 15 mL VWR 62406-200
Glove bags Sigma Aldrich Z530212
Hydrochloric acid (1 M) Sigma Aldrich H9892
Magnetic stirrer VWR 97042-626
Methanol Sigma Aldrich 34860-100ML-R
Microscope slides VWR 82003-414
MilliQ water
NIR camera (2 x) Basler AG acA1300-60gm
Nitrogen, grade 5N Airgas NI UHP300
Ø 1" Stackable Lens Tubes (6 x) Thorlabs SM1L03
O2 Plasma Facility
OEM Flange to SM Thread Adapters (4 x) Thorlabs SM1F2
Parafilm VWR 52858-000
Pasteur pipette VWR 14672-380
Perchloric acid (1 M) Sigma Aldrich 311421-50ML
Petri dish VWR 75845-546
Photoelectrochemical cell for microgravity experiments E.g., glass/ materials workshop
Polystyrene particles, 784 nm, 5 % (w/v) Microparticles GmbH 0.1-0.99 µm size (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml
Potentiostats (2 x) Biologic SP-200/300
Pt counter electrode ALS-Japan 12961
Rhodium (III) chlorid Sigma Aldrich 520772-1G
Shutter control system (2 x)
Silicon reference photodiode Thorlabs FDS1010
Sodium chlorid Sigma Aldrich 567440-500GM
Stands and rods to fix the cameras VWR
Sulphuric acid (0.5 M) Sigma Aldrich 339741-100ML
Telecentric High Resolution Type WD110 series Type MML1-HR110 Basler AG
Toluene Sigma Aldrich 244511-100ML
Various spare beakers and containers for leftover perchloric acid etc for the drop tower VWR
W-I lamp with light guides (2 x) Edmund Optics Dolan-Jenner MI-150 Fiber Optic Illuminator
CM-12 electron microscope with a twin objective lens, CCD camera (Gatan) system and an energy dispersive spectroscopy of X- rays (EDS) system) Philips
Dimension Icon AFM, rotated symmetric ScanAsyst-Air tips (silicon nitride), nominal tip radius of 2 nm Bruker

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Kimya Sayı 154 güneş yakıtları hidrojen mikroyerçekimi fotoelektrokataliz damla kule gölge nanosfer litografisi yarı iletken-elektrokatalizör sistemler
Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Brinkert, K., Akay, Ö., Richter, M.… More

Brinkert, K., Akay, Ö., Richter, M. H., Liedtke, J., Fountaine, K. T., Lewerenz, H. J., Giersig, M. Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment. J. Vis. Exp. (154), e59122, doi:10.3791/59122 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter