Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Eksperimentelle metoder til effektiv produktion af solenergi i Mikrogravitations miljø

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

Effektiv Solar-hydrogenproduktion er for nylig blevet realiseret på funktionaliserede halvleder-elektro katalysator systemer i en foto elektrokemisk halvcelle i mikrotyngdekraften miljø på Bremen drop Tower. Her rapporterer vi de eksperimentelle procedurer for fremstilling af halvleder-elektro katalysatorenhed, detaljer om den eksperimentelle set-up i drop kapsel og den eksperimentelle sekvens under frit fald.

Abstract

Langsigtede rumflyvninger og CIS-Lunar-forskningsplatforme kræver en bæredygtig og let livsstøtte, som kan anvendes pålideligt uden for jordens atmosfære. Såkaldte "Solar Fuel"-anordninger, der i øjeblikket er udviklet til jordbaserede applikationer i jagten på at realisere en bæredygtig energi økonomi på jorden, giver lovende alternative systemer til eksisterende luft-revitaliserings enheder, der er ansat på det internationale rum Station (ISS) gennem foto elektrokemisk vand-opdeling og brintproduktion. En forhindring for vand (foto-) elektrolyse i reduceret tyngdekraft miljøer er fraværet af flydeevne og den deraf følgende, hæmmet gas boble frigivelse fra elektrodeoverfladen. Dette forårsager dannelsen af gas boble skumme lag i nærheden af elektrodeoverfladen, hvilket fører til en stigning i ohmic modstand og celle-effektivitet tab som følge af reduceret masseoverførsel af substrater og produkter til og fra elektroden. For nylig har vi demonstreret effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften miljø, ved hjælp af en integreret halvleder-elektro katalysator system med p-type indium kobberphosphid som lys-absorber og en rhodium elektro katalysator. Ved at nanostrukturere elektro katalysatoren ved hjælp af Shadow nanosphere litografi og derved skabe katalytiske "hotspots" på foto elektrodens overflade, kunne vi overvinde gasboble-og masse overførsels begrænsningerne og udviste effektiv brint produktion ved høj strømtæthed ved reduceret gravitation. Her er de eksperimentelle detaljer beskrevet for forberedelserne af disse nanostrukturerede enheder og videre, proceduren for deres test i mikrotyngdekraften miljø, realiseret på Bremen drop Tower under 9,3 s af frit fald.

Introduction

Vores atmosfære på jorden dannes gennem iltdannende fotosyntese, en 2.300.000.000-årig proces, der omdanner solenergi til energirige carbonhydrider, frigiver ilt som et biprodukt og bruger vand og co2 som substrater. I øjeblikket, kunstige fotosyntetiske systemer efter konceptet af den energiske Z-ordningen af katalyse og opladning overførsel i naturlige fotosyntese er realiseret i halvleder-elektro katalysator systemer, viser hidtil en sol-til-brint konvertering effektivitet på 19%1,2,3. I disse systemer er halvleder materialer ansat som lysabsorbenter, der er belagt med et tyndt, gennemsigtigt lag af elektro katalysatorer4. Intens forskning på dette område fremmes af den globale søgen efter vedvarende energisystemer med brint og langkædede carbonhydrider, der gør fremragende kandidater til en alternativ brændstofforsyning. Lignende hindringer står også over for langsigtede rummissioner, hvor en genforsyning af ressourcer fra jorden ikke er mulig. Der kræves en pålidelig support hardware, som anvender en effektiv luft revitaliserings enhed, som giver ca. 310 kg ilt pr. besætningsmedlem pr. år, og som ikke tegner sig for ekstravehicular-aktiviteter5. En effektiv sol vand-opdeling anordning, der kan producere ilt og brint eller reducere kuldioxid Solar-assisteret og i en monolitisk system ville give en alternativ, lettere rute til aktuelt anvendte teknologier på ISS: luften revitalisering enhed består af et adskilt system med en alkalisk elektrode, en solid Amin kuldioxid koncentrator og en Sabatier reaktor til reduktion af CO2.

Vi indså for en stor dels vedkommende en effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften, som blev leveret af en 9,3 s under frit fald ved Bremen drop Tower (ZARM, Tyskland)6. Ved hjælp af p-type indium kobberphosphid som en halvledende lys-absorber7,8 belagt med en nanostruktureret rhodium electrocatalyst, vi overvandt substrat og produkt masseoverførsel begrænsninger til og fra photoelektrode overflade, som er en hindring i reduceret tyngdekraft miljøer på grund af fravær af flydeevne9,10. Anvendelsen af Shadow nanosphere litografi11,12 direkte på foto elektrodeoverfladen tillod dannelsen af rhodium katalytiske ' hot spots ', som forhindrede hydrogengas boble sammensmeltningen og dannelsen af et skumlag i nærheden af elektrodeoverfladen.

Heri leverer vi eksperimentelle detaljer om p-InP-foto elektrode præparatet, herunder overflade ætsning og konditionering, efterfulgt af anvendelse af Shadow nanosphere litografi på elektrodeoverfladen og foto elektroaflejringen af rhodium nanopartikler gennem polystyren kugler. Desuden er den eksperimentelle set-up i drop kapsel i Bremen drop Tower beskrevet, og detaljerne i den eksperimentelle sekvens under 9,3 s af frit fald er forudsat. Prøve afbetaling og håndtering før og efter hver dråbe er skitseret samt forberedelsen af dråbe kapsel og dens udstyr til at betjene belysningskilder, potentiostater, lukker kontroller og videokameraer ved kommando.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. klargøring af p-InP-foto elektroderne

  1. Brug enkelt krystal p-InP (orientering (111 A), Zn doping koncentration på 5 × 1017 cm-3) som foto absorber. Til forberedelse af tilbage kontakt skal du fordampe 4 nm AU, 80 nm Zn og 150 nm AU på bagsiden af waferen og varme den til 400 °C for 60 s.
  2. Påfør AG paste at vedhæfte ohmic kontakt til en tynd-belagt cu wire. Tråd ledningen til et glasrør, indkapsler prøven og forsegle den til glasrøret ved hjælp af sort, Kemisk Resistent Epoxy.
  3. For at fjerne indfødte oxider, etch den 0,5 cm2 poleret indium ansigt af p-INP for 30 s i 10 ml brom/methanol opløsning (0,05% w/v), skyl overfladen med ethanol og ultrarent vand til 10 s hver og tør prøven under kvælstof flux. Forbered løsningerne fra ultrarent vand og kemikalier i analytisk kvalitet med et organisk urenheds niveau under 50 PPB.
    Forsigtig: Bromin forårsager akut toksicitet ved indånding, hudætsning og akut toksicitet for vandmiljøet. Bær beskyttelsesudstyr såsom sikkerhedsbriller, handsker og lab coat. Arbejd under røghætten. Methanol er brændbart, forårsager akut toksicitet (oral, dermal og indånding) og er kendt for at forårsage specifik målorgantoksicitet. Bær beskyttelsesudstyr såsom sikkerhedsbriller, handsker og en laboratorie frakke. Arbejd under røghætten.
  4. Derefter, tilstand p-InP elektrode fotoelektrokemisk i en standard tre-elektrode potentiostatisk arrangement. Brug en borosilikat glas celle med et kvarts vindue som en foto elektrokemisk celle for at belyse prøven med en hvid-lys wolfram halogenlampe (100 mW/cm2) under proceduren.
  5. Juster lysintensiteten med en kalibreret silicium reference-fotodiode.
  6. Forbered en 0,5 M HCl opløsning og rense den i den foto elektrokemiske celle med nitrogen af 5,0 renhed i 15 min.
  7. Brug potentiodynamisk cykling mellem-0,44 V und + 0,31 V ved en scanningshastighed på 50 mV s-1 for 50 cyklusser til foto elektrokemisk tilstand prøven under kontinuerlig belysning.
    Forsigtig: saltsyre forårsager alvorlig øjenskade, hudætsning og det er ætsende for metaller. Desuden besidder den specifik målorgantoksicitet efter enkelt eksponering. Bær beskyttelsesudstyr såsom sikkerhedsbriller, handsker og en laboratorie frakke. Arbejd under røghætten.

2. fremstilling af rhodium nanostrukturer

  1. Anvende Shadow nanosphere litografi (SNL)11,12 for dannelsen af rhodium nanostrukturer på p-INP foto elektroden. For at skabe polystyren masker på p-INP elektroden, opnå mono-dispergerede perler af polystyren (PS) størrelse 784 nm i en koncentration på 5% (w/v) og opløse dem i ultrarent vand.
  2. For at opnå den endelige volumen på 600 μL blandes 300 μL af polystyren perlerne dispersion med 300 μL ethanol indeholdende 1% (w/v) styren og 0,1% svovlsyre (v/v).
  3. Påfør opløsningen på vandoverfladen ved hjælp af en Pasteur-pipette med en buet spids. For at øge arealet af de monokrystallinske strukturer, drej Petri skålen forsigtigt. Distribuer forsigtigt opløsningen, så den dækker 50% af luft-vand-grænsefladen med et HCP-monolayer. Forlad sted for stress afslapning og undgå at danne revner i gitter under de næste forberedelsestrin.
  4. Beskyt cu-tråden fra de foto elektrokemisk konditionerede p-InP-elektroderne med parafilm. Placer dem forsigtigt under den flydende lukket pakket PS Sphere Mask ved forsigtigt at tape dem til et mikroskop slide, hvilket forhindrer prøverne i at rotere. Fjern forsigtigt det resterende vand med en pipette og ved fordampning, hvilket bevirker, at masken efterfølgende deponeres på elektrodeoverfladen.
  5. Tag elektroden ud af Petri skålen og tør forsigtigt overfladen med N2. Elektroden under nitrogen opbevares indtil rhodium photoelectrodeposition (f. eks. i en desiccator).
    Bemærk: protokollen kan sættes på pause her i op til en uge.

3. foto elektrodeposition af rhodium nanopartikler

  1. Til foto elektrokemisk deponering af rhodium nanopartikler gennem PS Sphere Mask, elektrode opløsningen placeres i en elektrolyt opløsning, der indeholder 5 mM RhCl3, 0,5 M nacl og 0,5% (v/v) 2-propanol, og der anvendes et konstant potentiale af vdep = + 0,01 v for 5 s under samtidig belysning med en W-I-lampe (100 MW/cm2). Elektrokemiske specifikationer såsom elektrokemisk celle-, reference-og modelektrode er de samme som ved den foto elektro-kemiske konditionerings procedure.
  2. Skyl foto elektroden med ultrarent vand, og tør den under en mild strøm af N2.
  3. For at fjerne PS-sfærerne fra elektrodeoverfladen anbringes elektroderne i 20 min under skånsom omrøring i et bægerglas med 10 mL toluen (elektroden skal dækkes med toluen). Derefter skylles elektroden med acetone og ethanol i 20 s hver.
  4. Fjern restkulstof fra overfladen ved at O2-plasma rensning i 6 min ved et proces tryk på 0,16 mbar, 65 W og gasindstrømning af o2 og ar på henholdsvis 2 SCCM og 1 SCCM.
  5. Forbered prøverne op til en uge før prøverne i drop tårnet og opbevar dem indtil forsøgene under N2 atmosfære i mørket (f. eks. i en handske pose eller desiccator).
    Bemærk: protokollen kan sættes på pause her i ca. 1-2 uger.

4. foto elektrokemiske eksperimenter i mikrotyngdekraften

  1. Til eksperimenter i mikrotyngdekraften, kontakt en af de store drop Tower faciliteter (f. eks centrum af Applied Space Technology og Micro Gravity (ZARM), Bremen Tyskland).
    Bemærk: ved at ansætte et katapult system, kan 9,3 s af mikrotyngdekraften genereres på ZARM med en nærmede minimum g-niveau på ca. 10-6 m · s-2 13. En hydraulisk kontrolleret pneumatisk stempel-cylinder system bruges til at lancere drop kapsel (figur 1A) opad fra bunden af tårnet. Kapslen er igen decelereres i en beholder, der anbringes på cylinder systemet i løbet af det frie fald.
  2. Brug en foto elektrokemisk celle med to rum (påfyldningsvolumen for hver celle: 250 mL) til de foto elektrokemiske eksperimenter med henblik på at udføre to eksperimenter i mikrogravitations miljøet parallelt. Forsiden af hver celle skal bestå af et optisk kvarts glas vindue (diameter: 16 mm) til belysning af arbejds elektroden (Se figur 1B).
  3. Anvend et treelektrode arrangement i hver celle til de foto elektrokemiske målinger med en PT-tæller elektrode og en Ag/AgCl (3 M KCl) referenceelektrode i HClO4 (1 m). Tilsæt 1% (v/v) isopropanol til elektrolyt for at reducere overfladespændingen og øge gasboble frigivelse. Brug en W-I hvid lyskilde til at belyse hvert celle rum gennem de optiske vinduer.
    Forsigtig: koncentreret perklorsyre er et stærkt oxidator. Organiske, metalliske og ikke-organiske salte dannet af oxidation er stød følsomme og udgør en stor brand-og eksplosionsfare. Bær sikkerhedsbriller, handsker og en beskyttende Lab Coat. Arbejd under røghætten, og Minimer bænk topopbevaringstid.
  4. For gas boble undersøgelser, vedhæfte to kameraer til hver celle via optiske spejle og beamsplitters (f. eks, et farvekamera på forsiden og et monokromatisk kamera på siden, se figur 1) at registrere gas boble Evolution under frit fald i forsøget. For hver dråbe opbevares de indspillede data på en integreret tavlecomputer i drop kapslen. Optag enkeltbilleder med en billedhastighed (f. eks. 25 fps (farvekamera) og 60 fps (monokromatisk kamera)).
  5. Dråbe kapslen er udstyret med flere brædder (figur 1). Monter fotokemiske set-up og kameraerne på et optisk bord og Fastgør det til et af midterpladerne i kapslen. Brug de resterende boards til afbetaling af ekstraudstyr såsom potentiostatika, lyskilder, lukker knapper og tavlecomputer. Fastgør en batteriforsyning på bundkortet af kapslen for at tænde for set-up under frit fald (figur 1).
  6. Skriv en automatiseret dråbe sekvens for de eksperimentelle trin, som skal styres og udføres i mikrotyngde miljø. Programmet skal startes før hver dråbe. Efter at have nået mikrotyngdekraften bør sekvensen automatisk starte kameraer, belysningskilder og det elektrokemiske eksperiment for varigheden af 9,3 s, mens arbejds elektroden samtidig nedsænkes i elektrolyt ved hjælp af et pneumatisk system (Se figur 1, tabel 1).
  7. Undersøgelse af let-assisteret brintproduktion på prøverne i foto elektrokemiske målinger (f. eks. cyklisk voltammetri og chronoamperometri).
    1. Kontroller de elektrokemiske parametre ved de to potentiostatika i kapslen. For optimale opløsninger i J-V målinger, brug scanningshastigheder (de/DT) på 218 mv/s til 235 mv/s for at køre 3 scannings cyklusser i cykling voltammetri eksperimenter, ved hjælp af spændings intervaller på + 0,25 v til-0,3 v vs Ag/AgCl (3 M KCl). Ansætte det oprindelige potentiale, Ei = + 0,2 v vs Ag/AgCl (3 m KCl) og efter behandling potentiale, ef = + 0,2 v vs Ag/AgCl (3 m KCl). For at sammenligne de optagede J-V-målinger skal du tage den anden scannings cyklus for hvert eksperiment til analyse.
    2. I chronoamperometriske målinger skal du bruge tids skalaen for genereret mikrogravitations miljø, 9,3 s, til at registrere den foto strøm, der produceres af prøven. Anvend potentielle intervaller på-0,3 V til-0,6 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) for at sammenligne producerede foto strømme.
  8. Ved slutningen af hver dråbe, når dråbe kapslen er decelereret igen til nul hastighed, skal du bruge drop sekvens til at lade prøven fjernes fra elektrolyt og kameraer, potentiostatika og belysning kilder være slukket.
  9. Når kapslen er hentet fra decelerations beholderen, fjernes kapslens beskyttelsesskjold. Fjern prøverne fra det pneumatiske stative, skyl dem med ultrarent vand og tør dem under blid kvælstof flux. Opbevar dem under N2 atmosfære, indtil der udføres optiske og spektroskopiske undersøgelser.
  10. Ombytte elektrolyt i de to celler, sikre funktionen af alle instrumenter før udstyre cellerne med nye prøver og forberede kapslen til en anden dråbe eksperiment.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ætsning af p-INP-overfladen i br2/methanol i 30 s med fortløbende fotokemiske konditionering af prøven ved cykling polarisering i HCL er veletableret i litteraturen og drøftet (f. eks. ved Schulte & lewerenz (2001)14,15). Den ætsning procedure fjerner den indfødte oxid tilbage på overfladen (figur 2) og elektrokemisk cykling i HCL forårsager desuden en betydelig stigning i fyldnings faktoren af cellens ydeevne, ledsaget af et fladt bånd skift af p-INP fra + 0,56 v til + 0,69 V15. Desuden beskytter den passive lag dannelse under cyklisk polarisering i HCL photocathodically INP overfladen fra anodisk korrosion. Efter konditionerings proceduren anvendes selv samlingen af 784 nm polystyren latex nanokugler på p-INP-overfladen til dannelse af et kolloid partikel enkeltlags, som videre fungerer som en Litografisk maske under RH-aflejrings processen (figur 3a, B). Figur 3B viser et AFM-billede af foto ELEKTRODEN efter fjernelse af PS-sfærerne. Anvendelsen af SNL resulterer i en nanostørrelse, todimensionel periodisk RH struktur med en homogen vifte af huller i den metalliske, gennemsigtige RH film. AFM-billedet med høj opløsning (figur 3C) illustrerer den sekskantede enheds cellestruktur med genkendelige kerner af RH. tværsnit profiler i figur 3D viser, at rhodium mesh er homogen fordelt på p-INP overflade med en højde på omkring 10 nm, danner et katalytisk lag. Kombineret høj opløsning TEM og FFT analyse blev brugt til at bestemme gitterplan afstanden, afstanden af diffraktion punkter, der repræsenterer den gensidige gitter plads. Vores beregninger viser, at gitter planet er i rækkefølgen 2,17 til 2,18 Å, der validerer den (111) kubiske struktur af det deponerede rhodium (figur 4). Røntgen fotoelektron spektroskopi afslører, at den nanostrukturerede p-InP-RH-elektrode indeholder et InOx/pox -lag, med dokumentation fra det større inp-signal ved 128,4 EV. Dette er ikke overraskende på grund af de åbne InP områder som følge af fjernelsen af PS kugler; Her er InP direkte eksponeret for miljøet (dvs. luft og elektrolyt (figur 5)).

Mikrotyngdekraften har vist sig at have en betydelig indvirkning på elektrolyse af vand, som har været kendt siden 1960 ' erne, og effekten af reduceret tyngdekraft på bevægelse af bobler og dråber er veldokumenteret (Se f. eks., reference 16). Undersøgelser er blevet gennemført især inden for rammerne af udviklingen af et liv støttesystem for rumfart, som omfatter en vand-elektrode ring komponent.

Hidtil undersøgelser af vand elektrolyse under mikrotyngdekraften miljø i ' mørke ' eksperimenter resulterede i en stabil gas boble skum lag dannelse i nærheden af elektrode overflader og den ledsagende ohmic modstand steg lineært til skum lag tykkelse i både sure og alkaliske elektrolytter17,18,19. Desuden er diameteren af gasbobler steget og boblerne klæbet til membranen, som adskiller de to halve celler20,21. Desuden blev det påvist, at Bubble-induceret mikrokonvektion dominerer masseoverførslen i mikrogravitations miljøer8,21 og det er blevet antydet, at masseoverførsel af substrat vandet til elektrodens overflade styrer processen med vand elektrolyse, som styres under normale tyngdekrafts forhold ved elektrode reaktionen22.

Her beskæftigede nanostrukturerede p-InP-RH-foto elektroder fremstillet via SNL kunne løse dette problem: målingerne af foto strømspændingen viser ikke signifikante forskelle mellem terrestrisk testede prøver i 1 M HClO4 og prøver testet i 9,3 s af mikrotyngdepunkts miljø ved Bremen drop Tower (figur 6A, B)6. J-V egenskaber (figur 6A), desuden er chronoamperometriske målinger (figur 6B) af de nanostrukturerede prøver næsten identiske i terrestriske og mikrogravitations omgivelser. Forskellen i det åbne kredsløbs potentiale (VoC) tilskrives præstations forskellene i foto elektroderne som vist tidligere6. De indførte rhodium katalytiske ' hot spots ' på p-InP overflade ved SNL tillader dannelsen af gasbobler at forekomme på forskellige steder på foto elektrodeoverfladen, forhindrer boble sammensmeltningen og øge udbyttet af gas boble frigivelse. Tilsætning af 1% (v/v) isopropanol til elektrolyt nedsætter overfladespændingen af elektrolyt desuden, også fører mod begunstiget gas boble løsrivelse fra elektrodeoverfladen.

Figure 1
Figur 1: skema for eksperimentel set-up af elektrokemiske eksperimenter i mikrotyngdekraften miljø. Billederne viser den udrustede dråbe kapsel (A) og detaljer om det foto elektrokemiske set-up på den anden platform af dråbe kapslen (B). Kapslen indeholder batterier til strømforsyning under frit fald (platform 5), kapslen kontrolsystem til eksperimentel kontrol (platform 4), to W-I lyskilder og en bord computer (platform 3, se tabel over materialer), den foto elektrokemiske opsætning, herunder fire digitale kameraer (platform 2), og to potentiostats og to lukker kontrolbokse (platform 1). De fire digitale kameraer i den foto elektrokemiske opsætning (platform 2) gør det muligt at optage gas bobledannelse på foto elektroden fra forsiden af hver elektrokemisk celle gennem stråle splittere og fra siden gennem spejle. Foto elektroderne blev belyst gennem stråle splittere foran cellen. Via en pneumatisk løfte rampe er foto elektroderne nedsænket i elektrolytten umiddelbart før de når mikrogravitations forholdene. Dette tal er blevet modificeret fra Brinkert et al. (2018)6. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: tryk-mode AFM topografi billeder af p-INP overflade før og efter overfladen ændringer trin. Panel A viser p-INP-overfladen før modificerings procedurer,B) efter ætsning af overfladen i brom/methanol-opløsning ogC) efter konditionering af prøven i HCL.d) histogram analyse af højden fordeling af terrasser på p-INP prøve (blå linje), efter ætsning i bromin/methanol (gul linje) og efter konditionering i HCL (rød linje). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: tryk-mode AFM topografi billeder (se tabel over materialer) af p-INP overflade efter påføring af Shadow nanosphere litografi. a) det deponerede polystyren partikel enkeltlags på p-INP-substratet. (B, C) Overfladen efter aflejring af rhodium og fjernelse af polystyren partikler ved to forstørrelser. D) der blev genereret en højde profil på tre forskellige pletter på elektrodeoverfladen for at muliggøre yderligere karakterisering af det deponerede RH-net. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: højopløsnings-tem-analyse af fotoelektrode deponerede rhodium-kerner på p-InP-elektroden ved forskellige forstørrelser (se tabel over materialer). De 2D-Fourier transformation billeder viser den tilsvarende diffraktion mønster med en gitter plane afstand på 2,2 Å (111), typisk for kubiske strukturer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: røntgen fotoelektron spektre af de nanostrukturerede p-InP-RH-foto elektroer. A) i 3D-kerne niveauer B) p 2p-kerne niveauer og (C) RH 3D-kerne niveauer. Den farvekodning under linjerne refererer til den respektive sammensætning som illustreret i legenden. Dette tal er blevet modificeret fra Brinkert et al. (2018)6. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: resultater af foto elektrokemiske eksperimenter i mikrotyngdekraften miljø. (A) J-V målinger af nanostrukturerede p-INP-RH-foto elektroder i terrestriske (1 g, rød) og mikrogravitations miljøer (10-6 g, blå) i 1 M HClO4 med tilsætning af 1% (v/v) isopropanol til elektrolyt ved 70 MW/cm2 belysning med en W-I lampe. Forskelle i VoC af de nanostrukturerede prøver i terrestriske og mikrogravitations forhold er underlagt præstationsforskelle i foto elektroderne som vist tidligere6. B) chronoamperometriske målinger af nanostrukturerede p-INP-RH-foto elektroder i jordbaseret (rødt) og mikrogravitations miljø (10-6 g, blå) i 1 M HClO4 med tilsætning af 1% (v/v) isopropanol til elektrolyt ved 70 MW/cm2 belysning med en W-I-lampe. Det anvendte potentiale blev sat til-0,09 V vs RHE. Det øgede signal-støj-forhold ved målingernes afslutning skyldes deceleration af dråbe kapslen efter 9,3 s. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tabel 1: detaljeret eksperimentel sekvens for foto elektrokemisk brintproduktion brintproduktion i mikrotyngdekraften miljø i Bremen drop Tower. Denne tabel er blevet modificeret fra Brinkert et al. (2018)6. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Til fremstilling af foto elektroder, er det vigtigt at minimere ilt eksponering mellem ætsning og konditionering procedure og til at rense 0,5 M HCl før brug for omkring 10-15 min med nitrogen. Når prøverne er konditioneret, kan de opbevares under nitrogenatmosfære i 15 mL koniske rør i et par timer for at tillade prøve transport og/eller forberedelsestid af polystyren partikel masker. For at opnå en homogen arrangement af PS kugler på elektrode substrat, er det vigtigt at danne en kontinuerlig maske af PS kugler på vandoverfladen, som kan observeres som en kontinuerlig, reflekterende film. Når masken er dannet, den efterfølgende rhodium photoelectrodeposition skridt bør følge i 2-3 h. De bedste resultater for en homogen enkeltlags af PS kugler på elektroden opnås ved langsom vand fordampning i stedet for forsigtigt at fjerne vand ved pipettering. Masken er stabil på elektrodeoverfladen i flere dage, men direkte foto elektrodeposition af rhodium anbefales. Det er vigtigt, at elektroden med PS-masken anbringes i den vandige RhCl3 -opløsning først kort før og fjernes efter aflejringen for at forhindre opløsning af PS-sfærerne. For at fjerne rester af overflade oxider fra foto elektroden, som skyldes anvendelse af SNL og fjernelse af PS kugler fra elektrodeoverfladen, anbefales det at gentage trinnet af cykling polarisering i HCl i ca 10 cyklusser efter fjernelse af polystyren partikler, efter samme protokol som ovenfor.

For foto elektrokemiske målinger under 9,3 s af frit fald, skal nogle aspekter overvejes. Tidspunktet for eksperimentet er afgørende, og den programmerede dråbe sekvens skal testes omhyggeligt i terrestriske forhold, før dråbe kapslen med den eksperimentelle opsætning overføres til dråbe tårnet. Før du lukker kapslen, anbefales en afsluttende udstyrs kontrol, der sikrer, at potentiostater og lyskilder tændes, og at yderligere skruer og værktøj fjernes fra kapslen. Ikke-sikrede genstande i kapslen kan nemt ødelægge det eksperimentelle set-up under frit fald.

En vigtig parameter til måling af foto strøm-spændings adfærden inde i dråbe tårnet er den lysintensitet, der skal justeres til kameraets linse: Hvis der registreres en gasboble Evolution samtidig gennem kameraerne, som er fastgjort til cellen, udelukker direkte belysning ved > 70 mW/cm2 , at der registreres gasbobler fra forsiden af den foto elektrokemiske celle. det indkommende lys persienner linserne. Elektrode billeder under frit fald kan derfor kun optages og evalueres fra forsiden af cellen ved lysintensiteter ≤ 70 mW/cm2 uden yderligere anvendelser af linse beskyttelse. Den eksperimentelle tid på 9,3 s skal også tages i betragtning ved udformningen af de foto elektrokemiske målinger; for J-V-målinger blev scanningshastigheder (de/DT) på 218 mv/s til 235 mv/s brugt til at give mulighed for omkring 3 scannings cyklusser i cykling voltammetri eksperimenter. For at sammenligne de optagne J-V-målinger anbefales det at tage den anden scannings cyklus for hvert eksperiment til analyse.

I betragtning af den fremragende mikrogravity kvalitet på 10-6 g på Bremen drop Tower, analyse af gas bobledannelse i videooptagelser er muligt, som har vist sig at være vanskeligere i vand elektrolyse eksperimenter i parabolske flyvninger på grund af yderligere mekaniske bevægelser af flyet (dvs., g-jitter)21. Brug af en tavlecomputer til datalagring under fri flyvning har vist sig at være et tilstrækkeligt alternativ (Se tabel over materialer).

Afslutningsvis, Shadow nanosphere litografi er et nemt og værdifuldt værktøj til at indføre en elektro katalysator nanostruktur direkte på en halvleder flade-forskellige polystyren partikelstørrelser kan anvendes til at variere størrelsen af katalytisk aktive steder på lys-absorber overflade. Forskellige elektro katalysator deposition procedurer såsom (foto-) elektro deposition og fordampning af elektro katalysatoren tillader variation af katalytiske former. Metoden giver mulighed for design af anordninger, der effektivt producerer let-assisteret brint i mikrotyngdekraften miljø ved at danne elektro katalytisk aktive ' hot spots ' på foto elektrodeoverfladen. Selv om langtidsundersøgelser i mikrotyngdekraften stadig er nødvendige for at undersøge og optimere anordninger ' stabilitet for anvendelse i rummet miljø, p-InP har allerede vist sig at være en stabil fotokatode materiale i terrestriske forhold ved indførelsen af en TiO2 beskyttelse lag, forhindrer foto korrosion af materialet23.

Vi har vist, at drop Tower faciliteter såsom Bremen drop Tower i centrum af Applied Space Technology og Micro Gravity (ZARM) er fremragende mikrotyngdekraften faciliteter gør det muligt at efterforske den foto elektro katalytiske ydeevne af disse enheder under frit fald. De giver et let adgang, billigt alternativ til den internationale rumstation med en høj mikrotyngde kvalitet over en tidsinterval på 9,3 s. Det her rapporterede eksperimentelle sæt giver derfor et ideelt udgangspunkt for undersøgelse af yderligere foto elektrokemiske halvcelle reaktioner og anordninger til uassisteret vand opdeling og CO2 -reduktion i miljøer med reduceret tyngdekraft for at udvikle og optimere levetids understøtnings hardwaren til langvarige rumrejser og jordbaserede applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

K.B. anerkender midler fra stipendiat programmet for det tyske National Academy of Sciences Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 og den Europæiske Rumorganisation. Desuden vil hun gerne takke Dr. Leopold summerer, det avancerede koncept team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin og Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) og Prof. Harry B. Gray (Caltech) for deres store støtte. M.H.R. er taknemmelig for generøs støtte fra Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. og M.H.R. anerkender støtte fra Beckman Institute of the California Institute of Technology og det molekylære materiale Research Center. Photoechem -teamet anerkender i høj grad finansiering fra det tyske rumfarts Center (Deutsches Zentrum für luft-und Raumfahrt e.V.) til projektet No. 50WM1848. Desuden, M.G. anerkender finansiering fra Guangdong innovative og iværksætter team program med titlen "Plasmonic nanomaterialer og kvante prikker til let forvaltning i optoelektroniske enheder" (no. 2016ZT06C517). Desuden anerkender Forfatterteamet i høj grad indsatsen og støtten fra ZARM-teamet med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode og Dr. Thorben Könemann. Det er også taknemmelig for oplysende diskussioner med Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Universitet) og Dr. Slobodan Mitrovic (lam Research).

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

Kemi solenergi brændstoffer brint mikrotyngdekraften photoelectrokatalyse drop Tower Shadow nanosphere litografi halvleder-elektro katalysator systemer
Eksperimentelle metoder til effektiv produktion af solenergi i Mikrogravitations miljø
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