Summary
הפקה יעילה סולארית מימן התממשו לאחרונה על פונקציונליזציה מערכות מוליכים למחצה-electrocatalyst בחצי תא האלקטרוכימי בסביבה המיקרוגרוטציה במגדל ברמן Drop. כאן, אנו מדווחים על ההליכים הניסיוניים לייצור מכשיר מוליך למחצה-electrocatalyst, פרטים של הגדרת ניסיוני בקפסולה ירידה ואת הרצף ניסיוני בסתיו חופשי.
Abstract
טיסות חלל ארוכות טווח ופלטפורמות מחקר של cis-ירחי דורשות חומרה בת קיימא ותמיכה בחיים, אשר ניתן לעבוד באופן אמין מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ. מה שנקרא "דלק סולארי" התקנים, שפותחה כיום עבור יישומים ארציים בחיפוש אחר המימוש של כלכלת אנרגיה בת קיימא על פני כדור הארץ, לספק מערכות חלופיות מבטיח יחידות התחדשות האוויר הקיים המועסקים על החלל הבינלאומי תחנת הרכבת (ISS) דרך הפרדת מים וייצור מימן אלקטרוכימי. מכשול אחד עבור מים (צילום-) אלקטרוליזה בסביבות הכבידה מופחתת היא העדר ציפה והוא נזקים תוצאתיים, בועת גז מפריע לשחרר מן המשטח אלקטרודה. זה גורם היווצרות של בועת גז השכבות בסמיכות למשטח האלקטרודה, המובילה לעלייה בהתנגדות ohmic והפסד של יעילות התא בשל העברה המונית מופחתת של מצעים ומוצרים אל ומתוך האלקטרודה. לאחרונה, הדגמנו ייצור יעיל של מימן סולארית בסביבה מיקרוכבידה, באמצעות מערכת מוליך למחצה משולב electrocatalyst עם הודו p סוג האינדינום זרחן כמו בולם באור וזרז רודיום. על ידי ננו בנייה את הזרז electrocatalyst באמצעות ליתופי ננו כדור וצל ובכך ליצור קטליטי ' נקודות חמות ' על פני השטח פוטואלקטרודה, אנחנו יכולים להתגבר על בועות גז מוגבלת ומגבלות העברה המונית הפגינו מימן יעיל ייצור בצפיפויות שוטפות גבוהות בכבידה מופחתת. כאן, הפרטים הניסיוניים מתוארים עבור ההכנות של אלה התקנים ננו מובנים ועוד, ההליך עבור בדיקות שלהם בסביבה מיקרוגרוטציה, הבינו במגדל הירידה ברמן במהלך 9.3 s של נפילה חופשית.
Introduction
האטמוספירה שלנו על פני כדור הארץ נוצרת באמצעות הפוטוסינתזה האוקסיגניים, תהליך בן 2,300,000,000 שנה המרת אנרגיה סולארית לתוך האנרגיה פחמימנים עשיר, שחרור חמצן כמוצר על ידי ושימוש במים ו-CO2 כמו מצעים. כיום, מערכות פוטוסינטטיות מלאכותיות בעקבות הרעיון של ערכת Z האנרגטית של זרז והעברת מטען בפוטוסינתזה הטבעית ממומשת במערכות מוליכים למחצה-אלקטרוזרז, המציגה עד כה את יעילות ההמרה של השמש למימן של 19%1,2,3. במערכות אלה, חומרים מוליכים למחצה מועסקים כסופגי אור אשר מצופים בשכבה דקה ושקופה של אלקטרוזרזים מסוג4. מחקר אינטנסיבי בתחום זה מקודמת על ידי החיפוש הגלובלי עבור מערכות אנרגיה מתחדשת עם מימן ו-פחמימנים שרשרת של הרבה לעשות מועמדים מצוינים עבור אספקת דלק חלופית. מכשולים דומים מתמודדים גם על משימות מרחב לטווח ארוך, שם אספקה של משאבים מכדור הארץ אינו אפשרי. דרושה חומרה אמינה לתמיכה בחיים, תוך שימוש ביחידת חידוש אוויר יעילה המספקת כ-310 ק ג של חמצן לכל חבר צוות בשנה, לא חשבונאות לפעילויות חוץ-לרכב5. מכשיר יעיל במים השמש הפיצול, מסוגל לייצר חמצן ומימן או להפחית פחמן דו חמצני סולארית בסיוע במערכת מונוליטי תספק חלופה, מסלול קל יותר לטכנולוגיות מועסקים כיום ב-ISS: יחידת התחדשות האוויר מורכבת מערכת מופרדים עם אלקטרולייזר אלקליין, מרכז אמין פחמן דו-חמצני מוצק הכורsabatier ה
Unprecedentedly, הבנו יעיל סולרי מימן ייצור בסביבה מיקרו כבידה, שסופקו על ידי 9.3 s במהלך חופשי לרדת במגדל מגדל ברמן (ZARM, גרמניה)6. שימוש ב-p-type האינדינום זרחן כוליכים האור בולם7,8 מצופה עם מובנית מוגבלת של רודיום, התגברו על המצע והמוצר מגבלות העברת המסה אל וממשטח פוטואלקטרודה, אשר מהווה מכשול בסביבות כבידה מופחתת בשל העדר ציפה9,10. היישום של הדפס ננוספירה של צללים11,12 ישירות על פני השטח של פוטואלקטרודה אפשרה היווצרות של רודיום קטליטי "נקודות חמות", אשר מנעו בועת גז מימן בועה והיווצרות של שכבה פרוטית בסמיכות של משטח אלקטרודה.
בזאת, אנו מספקים פרטים ניסיוניים של p-InP הכנה פוטואלקטרודה כולל חריטה על פני השטח ומיזוג, ואחריו יישום של הדפס ננו ליתוספירה על משטח האלקטרודה ואת ההצהרה פוטואלקטו של רודיום ננו-חלקיקים דרך כדורי הפוליסטירן. יתרה מזאת, ההגדרה הניסיונית בקפסולת השחרור במגדל השחרור של ברמן מתוארת ומפרטת את הרצף הנסיוני במהלך 9.3 הנפילות החופשיות. התשלום לדוגמה וטיפול לפני ואחרי כל טיפה מתוארים כמו גם הכנת קפסולת השחרור והציוד שלה כדי להפעיל מקורות תאורה, פוטנציאל, בקרות תריס ומצלמות וידאו על הפקודה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת פוטואלקטרודות p-InP
- השתמש בגביש בודד p-InP (כיוון (111 A), Zn הריכוז של 5× 10 ס"מ -3) כמו photober. לגבי הכנה לקשר האחורי, להתנדף 4 ננומטר או, 80 nm Zn ו 150 ננומטר או על הישבן של וופל ולחמם אותו 400 ° צ' עבור 60 s.
- החל הדבק Ag לצרף את הקשר ohmic לחוט דק מצופה Cu. הפתיל חוט לצינור זכוכית, כתוב את המדגם לאטום אותו צינור זכוכית באמצעות אפוקסי שחור, עמיד כימי.
- על מנת להסיר תחמוצות יליד, לחרוט את 0.5 ס מ2 פנים אינדיום מלוטש של p-inp עבור 30 s ב 10 מ ל של ברום/מתנול פתרון (0.05% w/v), לשטוף את פני השטח עם אתנול ו באולטרסאונד מים עבור 10 s כל אחד יבש את המדגם תחת שטף חנקן. הכינו את הפתרונות ממים באולטרטהורים וכימיקלים אנליטיים עם רמת טומאה אורגנית מתחת 50 ppb.
התראה: ברום גורם לרעילות חריפה בעת שאיפת העור, קורוזיה ורעילות מימיים חריפה. לובשים ציוד הגנה כגון: כוסות בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע מתנול הוא דליק, גורם רעילות חריפה (דרך הפה, העורי והאינהלציה) והוא ידוע לגרום מסוים רעילות איברים היעד. לובשים ציוד הגנה כגון: משקפי בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע - לאחר מכן, מצב האלקטרודות p-InP כימית בסדר סטנדרטי של שלוש האלקטרודה. השתמש תא זכוכית בורוסיליקט עם חלון קוורץ כמו תא פוטוכימי כדי להאיר את המדגם עם אור לבן הלוגן טונגסטן מנורה (100 mW/cm2) במהלך ההליך.
- התאימו את עוצמת האור בעזרת פוטודיודה מכוילת סיליקון.
- להכין פתרון הHCl 0.5 M ולטהר אותו בתא פוטוכימי עם חנקן של 5.0 טוהר עבור 15 דקות.
- השימוש באופניים הפוטנציאל בין-0.44 V und + 0.31 V בקצב סריקה של 50 mV s-1 עבור 50 מחזורים למצב פוטואלקטרוכימית המדגם תחת תאורה רציפה.
התראה: חומצה הידרוכלורית גורמת לנזק בעיניים חמורות, העור קורוזיה וזה מזיק מתכות. יתרה מזאת, היא מחזיקה רעילות מטרה ספציפית לאיברים לאחר חשיפה אחת. לובשים ציוד הגנה כגון: משקפי בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע
2. ייצור מבנים ננו-ברודיום
- מעסיקים ליתוגרפיה ננו-ספירה (snl)11,12 עבור היווצרות של מבנים ננו ברודיום על photoelectrode p-inp. כדי ליצור את מסיכות פוליסטירן על אלקטרודה p-InP, להשיג מונו מפוזרים חרוזים של פוליסטירן (PS) בגודל 784 ננומטר בריכוז של 5% (w/v) ולפזר אותם במים באולטרטהורים.
- כדי להשיג את הנפח הסופי של 600 μL, לערבב 300 μL של נפיצה חרוז בקלקר עם 300 μL של אתנול המכיל 1% (w/v) יריעות ו 0.1% חומצה גופרתית (v/v).
- החילו את התמיסה על משטח המים בעזרת מפית פסטר עם קצה מעוקל. כדי להגדיל את האזור של המבנים המונרישיים, הפוך את צלחת פטרי בעדינות. הפיצו בקפידה את הפתרון לכיסוי 50% מממשק מי האוויר באמצעות מונאולייר. השאירו מקום להרפיה והימנעו מיצירת סדקים בסריג במהלך צעדי ההכנה הבאים.
- להגן על חוט התיל של אלקטרודות p-InP ממוזג כימית עם parafilm. הניחו אותם בעדינות תחת מסיכת הספירה הדחוסה הארוזה של PS כדור על ידי הקלטה בזהירות לשקופית מיקרוסקופ, מניעת הדגימות מסתובבת. הסירו בעדינות את שרידי המים בעזרת פיפטה והתאיידות, וגרמו למסכה להיות מופקד לאחר מכן על משטח האלקטרודה.
- להוציא את האלקטרודה מתוך צלחת פטרי ויבש בעדינות את המשטח עם N2. אחסן את האלקטרודה מתחת לחנקן עד לתצהיר ברודיום (למשל, בdesiccator).
הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן עד שבוע אחד.
3. פוטואלקטונדפוזיציה של ברודיום חלקיקים
- עבור הפקדה פוטואלקטרוכימי של חלקיקי רודיום דרך מסיכת ה-PS sphere, מניחים את האלקטרודה בתמיסה אלקטרוליט המכילה 5 מ"מ RhCl3, 0.5 M הנאל ו 0.5% (v/v) 2-propanol ולהחיל פוטנציאל קבוע של vdep = + 0.01 v עבור 5 בתוך תאורה בו עם מנורה W-I (100 mW/ מפרט אלקטרוכימי כגון תא אלקטרוכימי, הפניה ואלקטרודה נגדית זהים לנוהל המיזוג הפוטוכימי.
- לשטוף את הפוטואלקטרודה עם מים באולטרטהורים ולייבש אותו תחת זרימה עדינה של N2.
- כדי להסיר את ה-PS-ספירות ממשטח האלקטרודה, הניחו את האלקטרודות ל -20 דקות תחת ערבוב עדין בגביע עם 10 מ ל של טולואן (האלקטרודה צריכה להיות מכוסה בטולין). לאחר מכן, לשטוף את האלקטרודה עם אצטון ואתנול עבור 20 s כל אחד.
- הסרת פחמן שיורית מהמשטח על ידי O2-פלזמה ניקוי עבור 6 דקות בלחץ על התהליך של 0.16 mbar, 65 W ו גז תזרים של O2 ו Ar של 2 sccm ו 1 sccm, בהתאמה.
- הכינו את הדגימות עד שבוע לפני בדיקות במגדל הצניחה ולאחסן אותם עד הניסויים תחת N2 אווירה בחושך (למשל, בשקית כפפה או desiccator).
הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן כ-1-2 שבועות.
4. ניסויים פוטואלקטרוכימי במיקרוגרביטציה
- לניסויים בסביבת מיקרו-כבידה, צרו קשר עם אחד ממתקני מגדל הצניחה העיקריים (לדוגמה, מרכז טכנולוגיית החלל המוחלת ומיקרוגרביטציה (ZARM), ברמן גרמניה).
הערה: על-ידי שימוש במערכת מעוט, 9.3 s של סביבת מיקרו-כבידה ניתן ליצור ב ZARM עם מינימום התקרב g-רמה של כ 10-6 m · s-2 13. מערכת ידראולית בוכנה מבוקרת פניאומטית משמשת להפעלת כמוסת השחרור (איור 1א) מעל לתחתית המגדל. הקפסולה היא להאט שוב במיכל אשר ממוקם על מערכת גליל בזמן נפילה חופשית. - השתמש בשני תאים פוטואלקטרוכימי (מילוי הנפח של כל תא: 250 mL) עבור הניסויים בפוטואלקטרוכימי כדי לבצע שני ניסויים בסביבת מיקרו-כבידה במקביל. החלק הקדמי של כל תא צריך להיות מורכב חלון קוורץ אופטי זכוכית (קוטר: 16 מ"מ) להאיר את האלקטרודה עובד (ראה איור 1ב).
- להעסיק הסדר שלוש אלקטרודה בכל תא עבור מדידות פוטואלקטרוכימי עם אלקטרודה מונה Pt ו Ag/AgCl (3 M KCl) התייחסות אלקטרודה בתוך השולחן4 (1 m). הוסף 1% (v/v) איזופנול לאלקטרוליט על מנת להפחית את המתח פני השטח ולשפר את שחרור בועת הגז. השתמש מקור אור לבן W-I להאיר כל תא תא דרך החלונות האופטיים.
התראה: חומצה perchloric מרוכזת הוא אוקסידיזר חזק. מלחים אורגניים, מתכתיים ושאינם אורגניים הנוצרים מפני חמצון רגישים להלם ומהווים סכנת התפוצצות גדולה ומדליקה. תלבש משקפי בטיחות, כפפות. וחלוק מעבדה מגן לעבוד מתחת למכסה המנוע ולמזער את זמן אחסון הספסל העליון. - עבור חקירות בועות גז, לצרף שתי מצלמות לכל תא באמצעות מראות אופטיים ומפצלים (למשל, מצלמת צבע בחזית ומצלמה מונוכרומטי בצד, ראה איור 1) כדי להקליט את האבולוציה של בועת הגז במהלך נפילה חופשית של הניסוי. עבור כל שחרור, אחסן את הנתונים המוקלטת במחשב לוח מוכלל בקפסולת השחרור. הקלטת תמונות בודדות בקצב מסגרות של (למשל, 25 fps (מצלמה צבעונית) ו-60 fps (מצלמה מונוכרומטי)).
- כמוסת השחרור מצוידת במספר לוחות (איור 1). הר הגדרת פוטואלקטרוכימי ואת המצלמות על לוח אופטי ולצרף אותו לאחד הלוחות האמצעיים בקפסולה. השתמש בלוחות הנותרים עבור התשלום של ציוד נוסף כגון פוטנציאל, מקורות אור, בקרות תריס ומחשב הלוח. צרף אספקת סוללה בלוח התחתון של הקפסולה כדי להפעיל את ההגדרה במהלך נפילה חופשית (איור 1).
- כתוב רצף שחרור אוטומטי עבור הצעדים ניסיוני אשר צריך להיות נשלט ומבוצע בסביבה מיקרו כבידה. יש להתחיל את התוכנית לפני כל טיפה. לאחר שהגיע לסביבה המיקרוגרוטציה, הרצף צריך להתחיל באופן אוטומטי מצלמות, מקורות תאורה וניסוי אלקטרוכימי במשך ה9.3 המאוחרות, תוך שהוא מאחד בו את האלקטרודה העובדת לאלקטרוליט באמצעות מערכת פניאומטית (ראה איור 1, טבלה 1).
- חקירת ייצור מימן בסיוע קל על דגימות במדידות פוטואלקטרוקליות (למשל, מחזורי וולטממטריה וchronoamperometry).
- לשלוט על הפרמטרים אלקטרוכימי על ידי שני הפוטנציאל בתוך הקפסולה. לרזולוציות אופטימליות ב-J-V מדידות, להשתמש בשערי הסריקה (דה/dt) של 218 mV/s כדי 235 mV/s כדי להפעיל 3 מחזורי סריקה בניסויים הוולטממטריה רכיבה על אופניים, באמצעות טווחי מתח של + 0.25 V ל-0.3 V vs Ag/agcl (3 M kcl). להעסיק את הפוטנציאל הראשוני, Ei = + 0.2 V Vs Ag/Agcl (3 m kcl) ואת הפוטנציאל הסופי, Ef = + 0.2 V Vs Ag/agcl (3 M kcl). כדי להשוות בין מדידות ה-J-V המוקלטות, קחו את מחזור הסריקה השני של כל ניסוי לניתוח.
- במדידות chronoamperometric, השתמש בסרגל הזמן של הסביבה המיקרוגרוטציה, 9.3 s, כדי להקליט את photocurrent המיוצר על ידי המדגם. החל טווחים פוטנציאליים של-0.3 V ל-0.6 V vs Ag/agcl (3 M kcl) כדי להשוות את זרמי הפוטו המיוצרים.
- בסוף כל טיפה, כאשר קפסולת השחרור מאטה שוב למהירות אפס, השתמש ברצף השחרור כדי לאפשר להסיר את הדגימה מהאלקטרוליט והמצלמות, הפוטנציאל ומקורות התאורה כבויים.
- לאחר אחזור הקפסולה ממיכל ההאטה, הסר את מגן הגנת הקפסולה. להסיר את הדגימות מתוך הזרם הפניאומטי, לשטוף אותם עם מים באולטרטהורים ולייבש אותם תחת השטף חנקן עדין. לאחסן אותם באווירה N2 עד החקירות האופטיות והספקטרוסקופיות מתבצעות.
- להחליף את האלקטרוליט בשני התאים, להבטיח את התפקוד של כל המכשירים לפני לצייד את התאים עם דגימות חדשות ולהכין את הקפסולה לניסוי טיפה אחר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
חריטה על פני השטח p-inp ב Br2/מתנול עבור 30 s עם מיזוג פוטואלקטרוכימי ברציפות של המדגם על ידי מרכיבה על אופניים פולריזציה ב-HCl מבוססת היטב בספרות ודנו (למשל, על ידי שולטה & לוורז (2001)14,15). הליך התחריט מסיר את התחמוצת המקורית שנותרה על פני השטח (איור 2) ומרכיבה אלקטרוכימי ב-HCl גורמת לעלייה משמעותית במקדם המילוי של ביצועי התא, מלווה במעבר פס שטוח של p-inp מ + 0.56 v ל-+ 0.69 v15. יתר על כן, היווצרות שכבה פסיבית במהלך פולריזציה מחזורית ב-HCl photocathodically מגן על פני שטח InP מ קורוזיה אנונדית. לאחר הליך התניה, הרכבה עצמית של 784 ננומטר פוליסטירן לייטקס לאטקס על פני השטח p-InP מועסק על היווצרות של מונאולייר החלקיקים הקולאידית אשר עוד משמש מסכה ליטוגרפית במהלך התהליך תצהיר לחות (איור 3a, B). איור 3ב מראה תמונה afm של הפוטואלקטרודה לאחר הסרת הספירות PS. היישום של SNL תוצאות ב ננו בגודל, דו מימדי מבנה לחות תקופתית עם מערך הומוגנית של חורים בסרט מתכתי, שקוף לחות. תמונת ה-afm ברזולוציה גבוהה (איור 3ג) ממחיש את מבנה התא של יחידת משושה עם גרגירים מוכר של Rh. פרופילים צולבים באיור 3D להראות כי רשת רודיום מופץ באופן מאוד על פני השטח p-inp עם גובה של כ 10 ננומטר, ויוצרים שכבת קטליטי. ניתוח משולב ברזולוציה גבוהה של TEM ו-FFT שימשו כדי לקבוע את הריווח בין מישור הסריג, את מרחק נקודות העקיפה המייצגות את שטח הסריג ההופכי. החישובים שלנו מראים כי מישור הסריג הוא בסדר של 2.17 כדי 2.18 Å, אימות (111) מבנה מעוקב של רודיום הופקד (איור 4). X-ray ספקטרוסקופיית פוטואלקטרון מגלה כי האלקטרודה מובנית p-InP-Rh מכיל השכבה x/POx של InO,עם ראיות שסופקו על-ידי האות inp גדול ב 128.4 eV. הדבר אינו מפתיע עקב אזורי InP הפתוחים הנובעים מהסרת הספירות PS; כאן, InP נחשפת ישירות לסביבה (כלומר, אוויר ואלקטרוליט (איור 5)).
הסביבה המיקרוגרוטציה הוכח כי יש השפעה משמעותית על אלקטרוליזה של מים אשר ידוע מאז שנות ה-60 ואת ההשפעה של הפחתת הכבידה על התנועה של בועות וטיפות הוא מתועד היטב (ראה למשל, התייחסות 16). מחקרים בוצעו במיוחד בתוך המסגרת של פיתוח מערכת תמיכה בחיים למסעות בחלל הכולל מרכיב אלקטרומיים.
עד כה החקירות של מים אלקטרוליזה תחת הסביבה מיקרו כבידה בניסויים ' כהה ' הביא בועת גז יציבה היווצרות שכבה בסמיכות משטחי האלקטרודה ואת ההתנגדות ohmic ליווי גדל ליניארי את עובי השכבה בשני אלקטרוליטים ואלקליין בסיסי17,18,19. בנוסף, קוטרו של בועות הגז עלה והבועות דבקה לקרום המפריד בין שני התאים החצי20,21. יתר על כן, זה הוכח כי בועה המושרה מיקרו הסעה שולטת העברה המונית בסביבות מיקרו הכבידה8,21 וזה הוצע כי העברה המונית של המים המצע למשטח האלקטרודה שולטת בתהליך של אלקטרוליזה מים, אשר נשלט בתנאים נורמליים כבידה על ידי תגובת האלקטרודה22.
כאן מועסקים nanostructured ובנה p-InP-Rh פוטואלקטרודות מיוצר דרך SNL יכול להתגבר על בעיה זו: מדידות פוטוזרם מתח לא להראות הבדלים משמעותיים בין דגימות terrestrially נבדק ב 1 M השולחן4 ודגימות נבדק 9.3 s של הסביבה מיקרוגרוטציה במגדל הירידה ברמן (איור 6A, ב)6. מאפייני J-V (איור 6א), בנוסף, Chronoamperometric מדידות (איור 6ב) של דגימות nanostructured הם זהים כמעט בסביבה יבשתי ומיקרוגרביטציה. ההבדל בפוטנציאל המעגל הפתוח (VOC) מיוחס להבדלי ביצועים של פוטואלקטרודות כפי שמוצג מוקדם יותר6. הציג רודיום קטליטי "נקודות חמות" על פני השטח p-InP על ידי SNL לאפשר היווצרות של בועות גז להתרחש כתמים ברורים על פני השטח פוטואלקטרודה, מניעת בועות בועה והגדלת התשואה של בועת הגז לשחרר. תוספת של 1% (v/v) איזופנול לאלקטרוליט מקטינה את המתח פני השטח של האלקטרוליט יתר על כן, גם המובילה לעבר התנתקות גז המועדף ממשטח האלקטרודה.
איור 1: ערכת הערכה הניסיונית של הניסויים באלקטרוכימי בסביבת מיקרו-כבידה. התמונות מציגות את כמוסת השחרור המאובזרת (A) ופרטים של הגדרת הפוטואלקטרוכימי על הפלטפורמה השנייה של כמוסת השחרור (B). הקפסולה מכילה סוללות עבור אספקת החשמל במהלך נפילה חופשית (פלטפורמה 5), מערכת בקרת קפסולה עבור השליטה ניסיוני (פלטפורמה 4), שני מקורות אור W-I ומחשב לוח (פלטפורמה 3, ראה טבלת חומרים), ההתקנה פוטואלקטרוכימי כולל ארבע מצלמות דיגיטליות (פלטפורמה 2), ושני פוטנציאל ושני תיבות בקרה תריס ( ארבע מצלמות דיגיטליות בכיוונון פוטוכימי (פלטפורמה 2) מאפשר הקלטת בועה גז היווצרות על פוטואלקטרודה מהחזית של כל תא אלקטרוכימי באמצעות מפצלי הקורה מהצד דרך מראות. הפוטואלקטרודות הואר דרך מפצלי הקרן מול התא. באמצעות רמפה הרים פניאומטית, פוטואלקטרודות שקועים באלקטרוליט מיד לפני שמגיעים לתנאים מיקרו כבידה. דמות זו השתנתה מבריקרט ואח ' (2018)6. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הקשה במצב afm הטופוגרפיה תמונות של פני השטח p-inp לפני ואחרי פני השטח שינויים צעדים. פאנל A הצגת המשטח p-inp לפני הליכי שינוי, (ב) לאחר תחריט את פני השטח בתמיסה ברום/מתנול ו (ג) לאחר התניה המדגם ב-HCl. (ד) ניתוח היסטוגרמה של התפלגות גובה של טרסות על מדגם p-inp (קו כחול), לאחר תחריט ברום/מתנול (הקו הצהוב) ולאחר התניה HCl (הקו האדום). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הקשה במצב לתמונות הטופוגרפיה afm (ראה טבלה של חומרים) של משטח p-inp לאחר יישום של ליתוגרפיה ננו -חלקיק. (א) מונאולייר המופקד במצע הקלקר. (ב, ג) המשטח לאחר הפקדת רודיום והסרת הקלקר בשתי המאצות. (ד) פרופיל גובה של שלושה כתמים שונים על משטח האלקטרודה נוצר כדי לאפשר אפיון נוסף של רשת לחות לחות לחות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ניתוח TEM ברזולוציה גבוהה של מוצרי פוטואלקטו באמצעות האלקטרודה הופפית ב-p-InP באמצעות האצות השונות (ראו טבלת חומרים). התמונות הטרנספורמיות דו-פורייה מציגות את תבנית העקיפה המתאימה עם מרווח מישור סריג של 2.2 Å (111), אופייני למבנים מעוקבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: צילום רנטגן ספקטרום פוטואלקטרון של פוטואלקטרודות לחות לחות. (א) ברמות ליבה תלת-ממדית; (ב) P 2p רמות הליבה ו (C) לחות רמות ליבה 3d. קידוד צבע תחת הקווים מתייחס הרכב בהתאמה מומחש במקרא. דמות זו השתנתה מבריקרט ואח ' (2018)6. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: תוצאות ניסויי הפוטואלקטרוכימי בסביבת מיקרו-כבידה. (A) מדידות J-V של ננו מובנים p-inp-לחות לחות (1 גרם, אדום) ו מיקרוגרביטציה (10-6 g, כחול) ב 1 M כרטיס4 עם תוספת של 1% (v/v) איזופנול לאלקטרוליט ב 70 mW/Cm2 תאורה עם מנורת W-I. הבדלים ב-VOC של דגימות ננו בתנאים ארציים ומיקרו כבידה כפופים הבדלים ביצועים של פוטואלקטרודות כפי שמוצג מוקדם יותר6. (ב) Chronoamperometric מדידות של הפוטואלקטרודות מובנות p-inp-לחות בסביבה הקרקעית (אדום) ומיקרו-כבידה (10-6 g, כחול) ב 1 M כרטיס4 עם תוספת של 1% (v/v) איזופנול לאלקטרוליט ב 70 mW/Cm2 תאורה עם מנורת W-I. הפוטנציאל שהוחל הוגדר ל-0.09 V vs rhe. היחס מוגבר של אות לרעש בסוף המידות נובע ההאטה של כמוסת השחרור לאחר 9.3 s. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
טבלה 1: רצף ניסיוני מפורט לייצור מימן אלקטרוכימי ייצור מימן בסביבת מיקרו-כבידה במגדל הצניחה של ברמן. הטבלה הזאת השתנתה מבריקרט ואח ' (2018)6. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
להכנת פוטואלקטרודות, חשוב למזער את החשיפה לחמצן בין הליך החריטה והמיזוג כדי לטהר את הHCl 0.5 M לפני השימוש כ 10-15 דקות עם חנקן. ברגע שהדגימות ממוזגות, הן יכולות להיות מאוחסנות תחת אווירת חנקן בצינורות בעלי 15 מ ל במשך מספר שעות כדי לאפשר הובלה לדוגמה ו/או זמן הכנה של מסיכות הקלקר. כדי להשיג הסדר הומוגנית של כדורי PS על מצע האלקטרודה, חשוב ליצור מסכה רציפה של כדורי PS על משטח המים אשר ניתן לצפות כסרט רציף, רפלקטיבי. לאחר שנוצרת המסכה, הצעד העוקב אחר ההצהרה של רודיום לאחר מכן צריך ללכת ב2-3 h. התוצאות הטובות ביותר עבור המונאולייר הומוגנית של כדורי PS על האלקטרודה מושגת על ידי אידוי מים איטיים במקום להסיר בזהירות מים על ידי ליטוף. המסכה יציבה על משטח האלקטרודה במשך מספר ימים, עם זאת, מומלץ להפקדת פוטואלקטונציה ישירה של רודיום. חשוב כי האלקטרודה עם מסיכת PS ממוקם בתמיסה RhCl3 מימית רק זמן קצר לפני והוסרו לאחר התצהיר כדי למנוע פירוק של הספירות PS. על מנת להסיר תחמוצות משטח שיורית מן הפוטואלקטרודה אשר נובעת היישום של SNL והסרה של כדורי PS מן המשטח אלקטרודה, מומלץ לחזור על השלב של הפולריזציה רכיבת אופניים ב-HCl על 10 מחזורים לאחר הסרת החלקיקים פוליסטירן, בעקבות אותו פרוטוקול כמו לעיל.
למדידות פוטואלקטרוכימי במהלך 9.3 של נפילה חופשית, יש לשקול היבטים מסוימים. עיתוי של הניסוי הוא קריטי ואת רצף הירידה מתוכנתים צריך להיבדק בקפידה בתנאים ארציים לפני הקפסולה ירידה עם הגדרת ניסיוני מועבר מגדל הירידה. לפני סגירת הקפסולה, בדיקת ציוד סופי מומלץ, להבטיח כי פוטנציאל ומקורות אור מופעלים, ברגים נוספים וכלים יוסרו מן הקפסולה. פריטים לא מאובטחים בקפסולה יכול בקלות להרוס את הגדרת ניסיוני בסתיו חופשי.
פרמטר חשוב עבור המדידה של התנהגות פוטוזרם מתח בתוך מגדל השחרור הוא עוצמת האור אשר יש לכוונן את עדשת המצלמה: אם התנהגות האבולוציה של גז מוקלט בו דרך המצלמות אשר מחוברים לתא, תאורה ישירה ב > 70 mW/cm2 כולל הקלטת בועות גז מהחזית של תא פוטוכימי; האור הנכנס מתריס את העדשות. תמונות אלקטרודה בסתיו חופשי יכול אפוא להיות מוקלט והוערך מקדמת התא בעוצמות אור ≤ 70 mW/cm2 ללא כל היישומים הנוספים של הגנת העדשה. הזמן הניסיוני של 9.3 s גם צריך להיחשב בעיצוב של מדידות פוטואלקטרוכימי; עבור מדידות J-V, שיעורי סריקה (dE/dt) של 218 mV/s כדי 235 mV/s שימשו כדי לאפשר כ 3 מחזורי סריקה בניסויים הוולטממטריה רכיבה. כדי להשוות את מדידות ה-J-V המוקלטות, מומלץ לבצע את מחזור הסריקה השני של כל ניסוי לצורך ניתוח.
בהינתן איכות מיקרוגרביטציה מעולה של 10-6 g במגדל הצניחה ברמן, ניתוח של בועת גז היווצרות הקלטות וידאו אפשרי אשר נמצא להיות קשה יותר בניסויים אלקטרוליזה מים בטיסות פרבוליות בשל תנועות מכניות נוספות של המטוס (כלומר, g-להתעצבן)21. שימוש במחשב לוח לאחסון נתונים במהלך טיסה חופשית הוכח כחלופה מספקת (ראה טבלת חומרים).
לסיכום, הליטוגרפיה הננו צל הוא כלי קל וחשוב עבור החדרת מבנה ננו electrocatalyst ישירות על פני השטח מוליך למחצה-שונים בגדלים חלקיקים יכול להיות מועסק כדי לשנות את הגודל של אתרים פעילים מזרז על משטח בולם האור. שונות הליכי התצהיר של אלקטרוקטליזטור כגון (צילום-) אלקטרוקטציה ואידוי של האלקטרוזרז מאפשרים וריאציה של צורות קטליטי. השיטה מאפשרת את העיצוב של התקנים אשר מייצרים ביעילות מימן באמצעות אור בסביבה מיקרוגרוטציה על ידי יצירת אלקטרוזרז פעיל "נקודות חמות" על משטח פוטואלקטרודה. למרות שמחקרים ארוכי טווח בסביבת המיקרו-כבידה נדרשים עדיין לחקור ולמטב את יציבות המכשירים ליישום בסביבת חלל, p-InP כבר הוכח להיות חומר פוטוקתודה יציב בתנאים ארציים על הקדמה של שכבת הגנה TiO2 , מניעת פוטוקורוזיה של החומר23.
הראינו כי ירידה מתקני מגדל כגון מגדל השחרור ברמן במרכז של טכנולוגיית החלל היישומי מיקרוגרביטציה (ZARM) הם מתקנים מיקרו כבידה מעולה המאפשר את החקירה של הביצועים photoelectrocatalytic של התקנים אלה במהלך בסתיו חופשי. הם מספקים גישה קלה, בעלות נמוכה חלופה לתחנת החלל הבינלאומית עם איכות מיקרו כבידה גבוהה לאורך זמן מגוון של 9.3 s. מערכת ניסיונית דיווח זה מספק לפיכך נקודת התחלה אידיאלית עבור החקירה של התגובות צילום בחצי התא האלקטרוכימי והתקנים לפיצול מים בלתי מודרכת ו-CO2 הפחתה בסביבות הכבידה מופחתת לפתח ולייעל את התמיכה בחיים החומרה עבור נסיעות ארוכות שטח ויישומים יבשתי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
K.B. מכיר מימון מתוכנית המלגות של האקדמיה הלאומית הגרמנית למדעי המדינה, הענק LPDS 2016-06 ו סוכנות החלל האירופית. יתרה מזאת, היא רוצה להודות לד ר ליאופולד סאמנר, צוות המושגים המתקדמים, אלן דפסון, ד ר ג'ק ואן-בילט, ד ר Gabor מילסין וד ר רוברט ינדנר (ESTEC), רוביברט-ג'אן נורדם ופרופ ' הארי ב. גריי (קלטק) על תמיכתם הגדולה. M.H.R. אסירת תודה על תמיכה נדיבה של פרופ ' נתן ס. לואיס (קלטק). K.B. ו-M.H.R. לתמוך תמיכה מהמכון בקמן של המכון הטכנולוגי של קליפורניה ומרכז המחקר חומרים מולקולריים. צוות פוטוכימיה מכיר במידה רבה את המימון של המרכז הגרמני לחקר החלל (Deutsches זנטרום-ולין Raumfahrt e.V.) לפרויקט מס ' 50WM1848. יתרה מזאת, מ מאשר מימון של תוכנית הצוות החדשנית של גואנג-דונג ויזמית בשם "הננו-חומרים ונקודות הקוונטים לניהול אור במכשירים אלקטרואופטיקה" (no. 2016ZT06C517). יתר על כן, צוות המחבר מכיר במידה רבה את המאמץ והתמיכה של צוות ZARM עם דיטר Bischoff, טורסטן לוץ, מתיאס מאייר, פרד Oetken, יאן Siemers, ד ר מרטין קסטילו, מגדלנה Thode ו ד ר. ת'ורבן קוצ'אן. כמו כן, הוא אסיר תודה לשיחות מאקריות עם פרופ ' יסוהירו פוקונאקה (אוניברסיטת ואסדה), פרופ ' היסיושי מאצאשימה (אונ' הוקקאידו) וד ר סלובודן מיטורביץ ' (לאם מחקר).
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 |
References
- 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. Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures. Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).
- 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).
- 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).
- Raatschen, W. Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS. Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. , Cambridge University Press. Cambridge. (2001).
- Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity. Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).
- 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).
- 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).
- Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field. Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).
- 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).
- Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions. Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).
- 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).
