Summary
Effektiv Solar-hydrogen produksjon har nylig blitt realisert på funksjonalisert halvledere-electrocatalyst systemer i en photoelectrochemical halv celle i mikrogravitasjon miljø ved Bremen drop Tower. Her rapporterer vi den eksperimentelle prosedyrer for produksjon av halvleder-electrocatalyst enhet, detaljer om den eksperimentelle satt opp i drop Capsule og eksperimentelle sekvensen under fritt fall.
Abstract
Langsiktig plass flyreiser og CIS-Lunar forskning plattformer krever en bærekraftig og lett liv støtte maskinvare som kan være pålitelig ansatt utenfor Jordens atmosfære. Såkalt ' Solar Fuel ' enheter, for tiden utviklet for bakkenett søknader i søken etter å realisere en bærekraftig energi økonomi på jorden, gir lovende alternative systemer til eksisterende luft-revitalisering enheter ansatt på International Space Station (ISS) gjennom photoelectrochemical vann-splitting og hydrogen produksjon. En hindring for vann (Foto-) elektrolyse i redusert gravitasjon miljøer er fraværet av oppdrift og følgeskader, hindret gassboble utgivelse fra elektroden overflaten. Dette fører til dannelse av gassboble skum lag i nærheten av elektroden overflaten, fører til en økning i ohmsk motstand og celle-effektivitet tap på grunn av redusert masseoverføring av underlag og produkter til og fra elektroden. Nylig har vi demonstrert effektiv solenergi hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø, ved hjelp av et integrert halvleder-electrocatalyst system med p-type Indium fosfid som lys-Absorber og en Rhodium electrocatalyst. Ved å nanostrukturering electrocatalyst ved hjelp av skygge nanosphere litografi og dermed skape katalysator ' på photoelectrode overflaten, kunne vi overvinne gassboble Koalesens og masseoverføring begrensninger og demonstrert effektiv hydrogen produksjon ved høy strøm tetthet i redusert gravitasjon. Her er de eksperimentelle detaljene er beskrevet for forberedelsene til disse nanostrukturerte enheter og videre på prosedyren for deres testing i mikrogravitasjon miljø, realisert ved Bremen drop Tower under 9,3 s av fritt fall.
Introduction
Vår atmosfære på jorda dannes gjennom oxygenic fotosyntese, en 2 300 000 000 år gammel prosess som omdanner solenergi til energi rike hydrokarboner, og frigir oksygen som biprodukt og bruker vann og CO2 som underlag. For tiden, kunstig fotosyntetiske systemer etter begrepet den energiske Z-ordningen med katalyse og lade overføring i naturlig fotosyntese er realisert i halvledere-electrocatalyst systemer, viser hittil en sol-til-hydrogen konvertering effektivitet på 19%1,2,3. I disse systemene, halvleder materialer er ansatt som lette dempere som er belagt med et tynt, gjennomsiktig lag av electrocatalysts4. Intens forskning på dette feltet er fremmet av den globale søken etter fornybare energisystemer med hydrogen og langkjedet hydrokarboner som gjør gode kandidater for en alternativ drivstoff forsyning. Lignende hindringer er også møtt på langsiktige plass oppdrag, der en resupply av ressurser fra jorden er ikke mulig. Det kreves en pålitelig maskinvare for livsstøtte, ved å bruke en effektiv luft revitalisering het som gir ca. 310 kg oksygen per besetningsmedlem per år, og ikke regnskap for ekstraordinære aktiviteter5. En effektiv Solar vann-splitting enhet, i stand til å produsere oksygen og hydrogen eller redusere karbondioksid Solar-assistert og i et monolittisk system ville gi et alternativ, lettere rute til tiden ansatt teknologier på ISS: luften revitalisering enhet består av et separert system med et alkalisk electrolyzer, et solid Amin karbondioksid konsentratoren og en Sabatier Reaktor for reduksjon av CO2.
Uhørt, innså vi effektiv Solar-hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø, levert av en 9,3 s under fritt fall på Bremen drop Tower (ZARM, Tyskland)6. Ved hjelp av p-type Indium fosfid som en semiconducting lys-demper7,8 belagt med en nanostrukturerte Rhodium electrocatalyst, overvant vi substrat og produkt masseoverføring begrensninger til og fra photoelectrode overflaten, som er en hindring i redusert gravitasjon miljøer på grunn av fravær av oppdrift9,10. Anvendelsen av Shadow nanosphere litografi11,12 direkte på photoelectrode overflaten tillot dannelsen av Rhodium katalysator "hot spots", som forhindret hydrogengass boble Koalesens og dannelsen av et skum lag i nærheten av elektroden overflaten.
Heri gir vi eksperimentelle detaljer om p-InP photoelectrode forberedelse inkludert overflate etsing og condition, etterfulgt av anvendelse av skyggen nanosphere litografi på elektroden overflaten og photoelectrodeposition av Rhodium nanopartikler gjennom polystyren kuler. Videre er den eksperimentelle satt opp i drop Capsule ved Bremen drop Tower beskrevet og detaljer om den eksperimentelle sekvensen i løpet av 9,3 s av fritt fall er gitt. Sample avdrag og håndtering før og etter hver dråpe er skissert samt utarbeidelse av drop Capsule og dens utstyr for å operere belysning kilder, potentiostats, lukker kontroller og videokameraer på kommando.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. utarbeidelse av p-InP photoelectrodes
- Bruk enkelt krystall p-InP (orientering (111 A), Zn doping konsentrasjon på 5 × 1017 cm-3) som photoabsorber. For tilbake kontakt forberedelse, fordampe 4 NM au, 80 NM Zn og 150 NM au på baksiden av kjeks og varme den til 400 ° c for 60 s.
- Påfør AG lim for å feste ohmsk kontakt til en tynn-belagt Cu wire. Tre ledningen til et glass rør, kapsler prøven og forsegle den til glassrøret ved hjelp av svart, kjemisk motstandsdyktig epoxy.
- For å fjerne innfødte oksider, etse 0,5 cm2 polert Indium ansikt p-InP for 30 s i 10 ml av brom/metanol løsning (0,05% w/v), skyll overflaten med etanol og ultrarent vann for 10 s hver og tørk prøven under nitrogen Flux. Forbered løsningene fra ultrarent vann-og analytiske klasse kjemikalier med et organisk urenhet nivå under 50 ppb.
FORSIKTIG: brom forårsaker Akutt toksisitet ved innånding, hud korrosjon og akutt akvatisk giftighet. Bruk verneutstyr som for eksempel vernebriller, hansker og Laboratoriefrakk. Arbeid under avtrekks panseret. Metanol er brannfarlig, forårsaker Akutt toksisitet (oral, dermal og inhalasjon) og er kjent for å forårsake bestemte mål organ toksisitet. Bruk verneutstyr, som vernebriller, hansker og Laboratoriefrakk. Arbeid under avtrekks panseret. - Deretter, tilstand p-InP elektroden photoelectrochemically i en standard tre-elektrode potentiostatic ordning. Bruk en Borosilikatglass glasscelle med et kvarts vindu som en photoelectrochemical celle for å belyse prøven med en hvit-lys tungsten halogen lampe (100 mW/cm2) under prosedyren.
- Juster lysstyrken med en kalibrert silisium referanse PHOTODIODE.
- Forbered en 0,5 M HCl-løsning og Tøm den i den photoelectrochemical cellen med nitrogen av 5,0 renhet i 15 minutter.
- Bruk potentiodynamic sykling mellom-0,44 V und + 0,31 V ved en skannehastighet på 50 mV s-1 for 50 sykluser for å photoelectrochemically tilstand prøven under kontinuerlig belysning.
FORSIKTIG: saltsyre forårsaker alvorlige øyeskader, hud korrosjon og det er etsende for metaller. Videre har den spesielle mål organ toksisitet etter enkelt eksponering. Bruk verneutstyr, som vernebriller, hansker og Laboratoriefrakk. Arbeid under avtrekks panseret.
2. fabrikasjon av Rhodium nanostrukturer
- Ansette skygge nanosphere litografi (SNL)11,12 for dannelsen av Rhodium nanostrukturer på p-InP photoelectrode. For å skape polystyren masker på p-InP elektroden, få mono-spredte perler av polystyren (PS) størrelse 784 NM ved en konsentrasjon på 5% (w/v) og oppløse dem i ultrarent vann.
- For å oppnå det endelige volumet på 600 μL, bland 300 μL av isopor bead dispersjon med 300 μL av etanol som inneholder 1% (w/v) styren og 0,1% svovels acid (v/v).
- Påfør løsningen på vannflaten ved hjelp av en Pasteur-pipette med en buet tupp. For å øke arealet av monokrystallinsk strukturer, snu Petri parabolen forsiktig. Distribuer løsningen nøye for å dekke 50% av luft-vann-grensesnittet med et HCP-monolag. Leave sted for stress avslapping og unngå forming sprekker i gitteret under neste forberedelser trinn.
- Beskytt Cu wire av photoelectrochemically conditioned p-InP elektroder med parafilm. Plasser dem fint under den flytende lukket pakket PS sfære maske ved nøye taping dem til et mikroskop lysbilde, hindrer prøvene fra roterende. Fjern forsiktig restvannet med en pipette og ved fordampning, slik at masken skal deretter deponeres på elektrode overflaten.
- Ta elektroden ut av Petri fatet og tørk forsiktig overflaten med N2. Oppbevar elektroden under nitrogen til Rhodium photoelectrodeposition (for eksempel i en desikator).
Merk: protokollen kan stanses midlertidig her i opptil én uke.
3. Photoelectrodeposition av Rhodium nanopartikler
- For photoelectrochemical innskudd av Rhodium nanopartikler gjennom PS sfære maske, plassere elektroden i en elektrolyttløsning som inneholder 5 mM RhCl3, 0,5 M NaCl og 0,5% (v/v) 2-propanol og bruke et konstant potensial av vdep = + 0,01 v for 5 s under samtidig belysning med en W-I-lampe (100 MW/cm2). Elektrokjemiske spesifikasjoner som elektrokjemiske celle, referanse og mot elektroden er de samme som for photoelectrochemical condition prosedyren.
- Skyll photoelectrode med ultrarent vann og tørk den under en svak strøm av N2.
- For å fjerne PS-kulene fra elektrode overflaten, plasser elektrodene i 20 min under skånsom omrøring i et beger med 10 mL toluen (elektroden skal dekkes med toluen). Deretter skylle elektroden med aceton og etanol for 20 s hver.
- Fjern rester av karbon fra overflaten ved å O2-plasma rengjøring i 6 minutter ved et prosesstrykk på 0,16 mbar, 65 W og gass tilsig av henholdsvis O2 og AR av 2 SCCM og 1 SCCM.
- Forbered prøvene opp til en uke før tester i drop Tower og lagre dem til eksperimentene under N2 atmosfære i mørket (f. eks i en hanske bag eller desikator).
Merk: protokollen kan stanses midlertidig her i ca 1-2 uker.
4. photoelectrochemical eksperimenter i mikrogravitasjon
- For eksperimenter i mikrogravitasjon miljø, ta kontakt med en av de store drop Tower fasiliteter, (for eksempel senter for anvendt romteknologi og mikrogravitasjon (ZARM), Bremen Tyskland).
Merk: ved å ansette en katapult system, 9,3 s av mikrogravitasjon miljø kan genereres ved ZARM med en nærmet minimum g-nivå på ca 10-6 m · s-2 13. Et hydraulisk kontrollert pneumatisk stempel-sylinder system brukes til å starte dråpe kapselen (figur 1A) oppover fra bunnen av tårnet. Kapselen er decelerated igjen i en beholder som er plassert på sylinder systemet i løpet av den tiden av fritt fall. - Bruk en photoelectrochemical celle i to rom (fyllvolum for hver celle: 250 mL) for photoelectrochemical eksperimenter for å utføre to eksperimenter i mikrogravitasjon miljø parallelt. Fronten av hver celle skal bestå av en optisk kvarts glass vindu (diameter: 16 mm) for å belyse arbeids elektroden (se figur 1B).
- Bruk en tre-elektrode ordning i hver celle for photoelectrochemical målinger med en PT mot elektrode og en AG/AgCl (3 M KCl) referanse elektrode i HClO4 (1 m). Tilsett 1% (v/v) isopropanol til elektrolytt for å redusere overflatespenningen og forbedre gassboble utgivelse. Bruk en W-I hvit lyskilde for å belyse hvert celle rom gjennom de optiske vinduene.
FORSIKTIG: konsentrert perklorsyreblank syre er en sterk Oxidizer. Organiske, metalliske og ikke-organiske salter dannet fra oksidasjon er sjokk følsom og utgjøre en stor brann og eksplosjon fare. Bruk vernebriller, hansker og en beskyttende Laboratoriefrakk. Arbeid under avtrekks panseret og Minimer oppbevaringstid for benkeplate. - For gassboble undersøkelser, feste to kameraer til hver celle via optiske speil og beamsplitters (f. eks en farge kamera foran og et monokromatisk kamera på siden, se figur 1) til posten gassboble evolusjon under fritt fall av eksperimentet. For hver dråpe lagrer du de innspilte dataene på en integrert tavle-PC i dråpe kapselen. Ta opp enkeltbilder med en bildefrekvens (f. eks, 25 fps (farge kamera) og 60 fps (monokromatisk kamera)).
- Dråpe kapselen er utstyrt med flere tavler (figur 1). Monter photoelectrochemical oppsett og kameraene på en optisk tavle og fest den til en av de midterste styrene i kapselen. Bruk de resterende styrene for avbetaling av ekstrautstyr som potentiostats, lyskilder, lukker kontroller og styret datamaskinen. Fest en batteri tilførsel på undersiden av kapselen for å drive oppsettet under fritt fall (figur 1).
- Skriv en automatisert dråpe sekvens for de eksperimentelle trinnene som skal styres og utføres i mikrogravitasjon miljø. Programmet skal startes før hver dråpe. Ved å nå mikrogravitasjon miljø, sekvensen skal automatisk starte kameraer, belysning kilder og elektrokjemiske eksperimentet for varigheten av 9,3 s mens samtidig senke arbeids elektroden inn i elektrolytt ved hjelp av et pneumatisk system (se figur 1, tabell 1).
- Undersøkelse av lys-assistert hydrogen produksjon på prøvene i photoelectrochemical målinger (for eksempel syklisk voltammetri og chronoamperometry).
- Kontroller elektrokjemiske parametre ved de to potentiostats i kapselen. For optimale oppløsninger i J-V-målinger bruker du skanne frekvenser (dE/dt) på 218 mV/s til 235 mV/s for å kjøre 3 skanne sykluser i sykling voltammetri eksperimenter, ved hjelp av spenningsområder på + 0,25 V til-0,3 V vs AG/AgCl (3 M KCl). Ansette det opprinnelige potensialet, Ei = + 0,2 V vs AG/AgCl (3 m KCl) og etterbehandling potensial, ef = + 0,2 V vs AG/AgCl (3 M KCl). Hvis du vil sammenligne de innspilte J-V-målingene, tar du den andre skannings syklusen for hvert eksperiment for analyse.
- I chronoamperometric målinger bruker du tidsskalaen for det genererte mikrogravitasjon miljøet, 9,3 s, til å registrere photocurrent som produseres av prøven. Bruk potensielle områder av-0,3 V til-0,6 V vs AG/AgCl (3 M KCl) for å sammenligne produserte photocurrents.
- På slutten av hver dråpe, når drop Capsule er decelerated igjen til null hastighet, bruk drop sekvensen for å la prøven bli fjernet fra elektrolytt og kameraer, potentiostats og belysning kilder være slått av.
- Når kapselen er Hentet fra beholderen for retardasjon, fjerner du beskyttelses skjoldet til kapselen. Fjern prøvene fra den pneumatiske egenskaps, skyll dem med ultrarent vann og tørk dem under skånsom nitrogen forandring. Oppbevar dem under N2 atmosfære til optiske og spektroskopiske undersøkelser utføres.
- Utveksle elektrolytt i de to cellene, sikre funksjonen til alle instrumenter før du utstyre cellene med nye prøver og forberede kapselen for en dråpe eksperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Etsing av p-InP overflaten i br2/metanol for 30 s med påfølgende photoelectrochemical condition av prøven ved sykling polarisering i HCL er godt etablert i litteraturen og diskutert (for eksempel ved Schulte & Lewerenz (2001)14,15). Den etsing prosedyren fjerner innfødte oksid igjen på overflaten (figur 2) og elektrokjemiske sykling i HCL årsaker videre en betydelig økning i fyllfaktor av cellen ytelse, ledsaget av et flatt bånd forskyvning av p-InP fra + 0,56 v til + 0,69 v15. Videre, passiv lag formasjon under syklisk polarisering i HCl photocathodically beskytter InP overflaten fra anodisk korrosjon. Etter condition prosedyren, selv montering av 784 NM polystyren latex nanosfærer på p-InP overflaten er ansatt for dannelsen av en kolloidalt partikkel monolag som videre fungerer som en litografiske maske under RH deponering prosessen (Figur 3a, B). Figur 3B viser en AFM bilde av PHOTOELECTRODE etter fjerning av PS kuler. Anvendelsen av SNL resulterer i en nanosized, todimensjonal periodisk RH struktur med en homogen rekke hull i metallisk, transparent RH film. Den høyoppløselige AFM bildet (Figur 3C) illustrerer den sekskantede enheten cellestruktur med gjenkjennelig korn av RH. tverrsnitt profiler i Figur 3D viser at Rhodium mesh er homogenously fordelt på p-InP overflaten med en høyde på ca 10 NM, danner en katalysator. Kombinert høyoppløselig TEM og FFT analyse ble brukt til å bestemme gitteret flyet avstand, avstanden av Diffraksjon punkter som representerer den gjensidige gitter plass. Våre beregninger viser at gitteret flyet er i den rekkefølgen av 2,17 til 2,18 å, validere (111) kubikk strukturen av avsatt Rhodium (Figur 4). X-ray photoelectron spektroskopi avslører at nanostrukturerte p-InP-RH elektroden inneholder en InOx/POx Layer, med bevis som tilbys av større InP signal på 128,4 EV. Dette er ikke overraskende på grunn av de åpne InP områder som følge av fjerning av PS kuler; her, er InP direkte eksponert for miljøet (dvs. luft og elektrolytt (figur 5)).
Det mikrogravitasjon miljøet har vist å ha en betydelig innvirkning på elektrolyse av vann som har vært kjent siden 1960-tallet og effekten av redusert gravitasjon på bevegelsen av bobler og dråper er godt dokumentert (se f. eks referanse 16). Studier har vært gjennomført spesielt innenfor rammen av å utvikle et liv støtte system for romfart som inkluderer en vann-electrolyzing komponent.
Hittil undersøkelser av vann elektrolyse under mikrogravitasjon miljø i ' mørke ' eksperimenter resulterte i en stabil gassboble skum lag formasjon i nærheten av elektrode overflater og den med følgende ohmsk motstanden økt lineært til skummet Sjikttykkelse i både Sure og alkaliske elektrolytter17,18,19. I tillegg økte diameteren av gassboblene og boblene overholdt membranen som skiller de to halv cellene20,21. Videre ble det demonstrert at boble-indusert microconvection dominerer massen overføring i mikrogravitasjon miljøer8,21 og det har blitt antydet at massen overføring av underlaget vann til elektroden overflaten styrer prosessen med vann elektrolyse, som styres under normale tyngdekraften forhold ved elektrode reaksjonen22.
Den her ansatt nanostrukturerte p-InP-RH photoelectrodes produsert via SNL kunne overvinne dette problemet: den photocurrent målinger ikke viser vesentlige forskjeller mellom Australia testet prøvene i 1 M HClO4 og prøver testet i 9,3 s av mikrogravitasjon miljø ved Bremen drop Tower (figur 6A, B)6. J-V egenskaper (figur 6A), i tillegg chronoamperometric målinger (figur 6B) av nanostrukturerte prøvene er nesten identiske i terrestriske og mikrogravitasjon miljø. Forskjellen i det åpne krets potensialet (VOC) tilskrives ytelses forskjeller av photoelectrodes som vist tidligere6. Den innførte Rhodium katalysator ' hot spots på p-InP overflaten ved SNL tillate dannelse av gassbobler til å skje på forskjellige steder på photoelectrode overflate, forebygge boble Koalesens og øke avkastningen av gassboble utgivelse. Tillegg av 1% (v/v) isopropanol til elektrolytt reduserer overflatespenningen av elektrolytt videre, også ledende mot favoriserte gassboble avløsning fra elektroden overflaten.
Figur 1: ordningen med eksperimentell oppsett av elektrokjemiske eksperimenter i mikrogravitasjon miljø. Bildene viser utstyrt drop Capsule (A) og detaljer om photoelectrochemical satt opp på den andre plattformen på drop Capsule (B). Kapselen inneholder batterier til strømforsyningen under fritt fall (plattform 5), kapsel kontrollsystem for eksperimentell kontroll (plattform 4), to W-I lyskilder og et styre datamaskin (plattform 3, se tabell over materialer), photoelectrochemical oppsett inkludert fire digitale kameraer (plattform 2), og to potentiostats og to lukker kontrollbokser (plattform 1). De fire digitale kameraene i photoelectrochemical Setup (plattform 2) gjør opptak gassboble formasjon på photoelectrode fra fronten av hver elektrokjemiske celle gjennom strålen splitter og fra siden gjennom speil. Photoelectrodes ble opplyst gjennom strålen splitter foran cellen. Via en pneumatisk løfte rampe er photoelectrodes nedsenket i elektrolytt umiddelbart før de når mikrogravitasjon forhold. Dette tallet er endret fra Brinkert et al. (2018)6. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: TAPPE-modus AFM topografi bilder av p-InP overflaten før og etter overflaten modifikasjoner trinn. Panel A viser p-InP overflaten før modifikasjons prosedyrer, (B) etter etsing av overflaten i brom/metanol løsning og (C) etter condition prøven i HCL. (D) histogram analyse av høyden distribusjon av terrasser på p-InP prøven (blå linje), etter etsing i brom/metanol (gul linje) og etter condition i HCL (rød linje). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: TAPPE-modus AFM topografi bilder (se tabell over materialer) av p-InP overflaten etter påføring av skygge nanosphere litografi. (A) den avsatte polystyren partikkel monolag på p-InP substrat. (B, C) Overflaten etter deponering av Rhodium og fjerning av polystyren partikler på to forstørrelser. (D) en høydeprofil på tre forskjellige steder på elektroden overflaten ble generert for å tillate ytterligere karakterisering av avsatt RH mesh. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: høyoppløselig tem-analyse av photoelectrodeposited Rhodium korn på p-InP-elektroden ved forskjellige forstørrelser (se tabell over materialer). 2D-Fourier transformasjon bilder viser tilsvarende Diffraksjon mønster med et gitter plan avstand på 2,2 å (111), typisk for kubikk strukturer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: røntgen photoelectron Spectra av nanostrukturerte p-InP-RH photoelectrodes. (A) i 3D-kjerne nivåer; (B) P 2p kjerne nivåer og (C) RH 3D kjerne nivåer. Fargen koding under linjene refererer til de respektive sammensetning som illustrert i legenden. Dette tallet er endret fra Brinkert et al. (2018)6. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: resultatene av photoelectrochemical eksperimenter i mikrogravitasjon miljø. (A) J-V målinger av nanostrukturerte p-InP-RH photoelectrodes i terrestriske (1 g, rød) og mikrogravitasjon miljøer (10-6 g, blå) i 1 M HClO4 med tillegg av 1% (v/v) isopropanol til elektrolytt ved 70 MW/cm2 belysning med en W-I-lampe. Forskjeller i VOC av nanostrukturerte prøvene i terrestriske og mikrogravitasjon forhold er gjenstand for ytelses forskjeller i photoelectrodes som vist tidligere6. (B) Chronoamperometric målinger av nanostrukturerte p-InP-RH photoelectrodes i bakkenett (rødt) og mikrogravitasjon miljø (10-6 g, blå) i 1 M HClO4 med tillegg av 1% (v/v) isopropanol til elektrolytt ved 70 MW/cm2 belysning med en W-I-lampe. Den anvendte potensialet ble satt til-0,09 V vs RHE. Den økte signal-til-støy-forhold på slutten av målingene er på grunn av retardasjon av drop Capsule etter 9,3 s. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tabell 1: detaljert eksperimentell sekvens for photoelectrochemical hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø ved Bremen drop Tower. Denne tabellen er endret fra Brinkert et al. (2018)6. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
For utarbeidelse av photoelectrodes, er det viktig å minimere oksygen eksponering mellom etsing og condition prosedyre og å rense 0,5 M HCl før bruk i ca 10-15 min med nitrogen. Når prøvene er betinget, kan de lagres under nitrogen atmosfære i 15 mL koniske rør i noen timer for å tillate sample transport og/eller Forberedelsestid av polystyren partikkel masker. For å oppnå en homogen arrangement av PS kuler på elektroden underlaget, er det viktig å danne en kontinuerlig maske av PS kuler på vannflaten som kan observeres som en kontinuerlig, reflekterende film. Når masken er dannet, påfølgende Rhodium photoelectrodeposition trinnet bør følge i 2-3 h. De beste resultatene for en homogen monolag av PS kuler på elektroden oppnås ved langsom vann fordampning i stedet for forsiktig fjerne vann ved pipettering. Masken er stabil på elektrode overflaten i flere dager, men direkte photoelectrodeposition av Rhodium anbefales. Det er viktig at elektroden med PS masken er plassert i den vandige RhCl3 løsning bare kort tid før og fjernes etter deponering for å hindre oppløsning av PS kuler. For å fjerne rester av overflate oksider fra photoelectrode som er resultatet av anvendelsen av SNL og fjerning av PS kuler fra elektroden overflaten, anbefales det å gjenta trinnet i sykling polarisering i HCl i ca 10 sykluser etter fjerning av polystyren partikler, etter samme protokoll som ovenfor.
For photoelectrochemical målinger under 9,3 s av fritt fall må noen aspekter vurderes. Timing av eksperimentet er avgjørende og programmert drop sekvensen må testes nøye i terrestriske forhold før drop Capsule med eksperimentell oppsett er overført til drop Tower. Før du stenger kapselen, anbefales en endelig Utstyrssjekk, slik at potentiostats og lyskilder slås på og ekstra skruer og verktøy fjernes fra kapselen. Ikke-sikrede gjenstander i kapselen kan enkelt ødelegge det eksperimentelle oppsettet i fritt fall.
En viktig parameter for måling av photocurrent-spenning atferd inne i drop Tower er lys intensiteten som må justeres til kameralinsen: Hvis gassboble evolusjon atferd er registrert samtidig gjennom kameraene som er festet til cellen, direkte belysning ved > 70 mW/cm2 utelukker opptak gassbobler fra fronten av photoelectrochemical cellen; innkommende lys persienner linsene. Elektrode bilder i fritt fall kan derfor bare registreres og evalueres fra fronten av cellen i lys intensitet ≤ 70 mW/cm2 uten ytterligere anvendelser av linsebeskyttelse. Den eksperimentelle tiden av 9,3 s må også vurderes i utformingen av photoelectrochemical målinger; for J-V-målinger, skannehastigheter (dE/dt) av 218 mV/s til 235 mV/s ble brukt for å muliggjøre ca 3 skanne sykluser i sykling voltammetri eksperimenter. Hvis du vil sammenligne de innspilte J-V-målingene, anbefales den andre skannings syklusen for hvert eksperiment for analyse.
Gitt den utmerkede mikrogravitasjon kvaliteten på 10-6 g ved Bremen drop Tower, er analyse av gassboble dannelse i videoinnspillinger mulig som er funnet å være vanskeligere i vann elektrolyse eksperimenter i parabol flyreiser på grunn av ekstra mekaniske bevegelser av flyet (dvs. g-variasjon)21. Å bruke en tavle-PC for datalagring under gratis flyging har vist å være et tilstrekkelig alternativ (se tabell over materialer).
I konklusjonen, er skyggen nanosphere litografi en enkel og verdifullt verktøy for å innføre en electrocatalyst nanostructure direkte på en halvleder overflate-ulike polystyren partikkelstørrelser kan anvendes for å variere størrelsen på katalytisk aktive områder på lys demper overflaten. Ulike electrocatalyst avsetning prosedyrer som (Foto-) elektrode posisjon og fordampning av electrocatalyst tillate variasjon av katalysatorer former. Metoden gjør det mulig for design av enheter som effektivt produserer lys-assistert hydrogen i mikrogravitasjon miljø ved å danne electrocatalytically aktive "hot spots" på den photoelectrode overflaten. Selv om langsiktige studier i mikrogravitasjon miljø er fortsatt nødvendig for å undersøke og optimalisere enhetens stabilitet for anvendelse i rommet miljø, p-InP har allerede vist å være et stabilt photocathode materiale i terrestriske forhold ved innføring av en TiO2 beskyttelse lag, forebygge photocorrosion av materialet23.
Vi har vist at drop Tower fasiliteter som Bremen drop Tower ved Centre of Applied Space Technology og mikrogravitasjon (ZARM) er gode mikrogravitasjon anlegg slik at etterforskningen av photoelectrocatalytic ytelsen til disse enhetene under fritt fall. De gir en lett-tilgang, rimelig alternativ til den internasjonale romstasjonen med en høy mikrogravitasjon kvalitet over en tidsperiode på 9,3 s. Den her rapporterte eksperimentelle sett gir derfor et ideelt utgangspunkt for etterforskningen av ytterligere photoelectrochemical halv celle reaksjoner og enheter for uten assistanse vann-splitting og CO2 reduksjon i redusert gravitasjon miljøer for å utvikle og optimalisere livet støtte maskinvare for lang varighet plass reiser og bakkenett applikasjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
K.B. erkjenner finansiering fra stipendprogrammet til det tyske National Academy of Sciences Leopoldina, gi LPDS 2016-06 og den europeiske romfartsorganisasjonen. Videre vil hun gjerne takke Dr. Leopold summerer, Advanced Concepts 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 sin store støtte. M.H.R. er takknemlig for sjenerøs støtte fra Prof Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. og M.H.R. erkjenner støtte fra Beckman Institute of California Institute of Technology og molekylær Materials Research Center. PhotoEChem -teamet erkjenner sterkt finansiering fra German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für luft-und Raumfahrt e.V.) for prosjektet no. 50WM1848. Videre erkjenner M.G. finansiering fra Guangdong innovative og gründer team program med tittelen "Plasmonic nanomaterialer og Quantum prikker for Light Management i Optoelektronisk Devices" (no. 2016ZT06C517). Videre erkjenner forfatteren teamet sterkt innsats og støtte fra ZARM team med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode og Dr. Thorben Könemann. Det er også takknemlig for opplysende diskusjoner med prof. Jay Fukunaka (Waseda University), Prof Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) 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 |
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).
