Method Article

Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler

DOI:

10.3791/59122

⸱

December 3rd, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

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

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

Abstract

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

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

Introduction

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

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

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

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. P-InP fotoelektrotlarının hazırlanması

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

2. Rodyum nanoyapıların imalatı

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

3. Rodyum nano partiküllerin fotoelektrotpozisi

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

4. Mikroyerçekiminde fotoelektrokimyasal deneyler

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

P-InP yüzeyinin Br2/metanolte 30 s'de hcl'de bisikletpolarizasyonu ile numunenin ardışık fotoelektrokimyasal koşullandırılması ile aşındırılması literatürde iyi bir şekilde oluşturulmuş ve tartışılmıştır (örneğin, Schulte & Lewerez (2001) tarafından14,15). Gravür işlemi yüzeyde kalan doğal oksit kaldırır(Şekil 2) ve HCl elektrokimyasal bisiklet hücre performansının dolgu faktörü önemli ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Fotoelektrotların hazırlanması için, gravür ve klima prosedürü arasındaki oksijen maruziyetini en aza indirmek ve 0,5 M HCl'yi kullanmadan önce yaklaşık 10 - 15 dk azot ile temizlemek önemlidir. Numuneler şartlandırıldıktan sonra, polistiren partikül maskelerinin numune taşınması ve/veya hazırlanması için 15 mL konik tüplerde azot atmosferi altında birkaç saat saklanabilir. ELEKTROT substratı üzerinde PS kürelerinin homojen bir şekilde düzenlenmesi için, su yüzeyinde sürekli, yansıtıcı bir film olarak gözlemlenebilen PS ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgements

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

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
12,7 mm XZ Taban Plakalı Kırlangıç Kuyruğu Çeviri Aşaması, M4 Kılavuzlar (4 x)ThorlabsDT12XZ/M
Işın ayırıcılar (2 x)ThorlabsCM1-BS01350:50 400-700nm
Işın Ayırıcılar (2 x)ThorlabsCM1-BS01450:50 700-1100nm
Omik arka temas: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm Au Oute.V., Berlin, Almanyahttps://www.out-ev.de/english/index.htmlŞirket, özel yapım omik arka kontaklar
sağlar Cam tüp, yaklaşık 10 cm, iç çap yaklaşık 4 mmÖrneğin, Gaß ner GlasstechnikÖzel yapım
p-InP gofretler, oryantasyon 111A, Zn doping konsantrasyonu: 5 x 10^17 cm^-3AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. İsviçre
Karasal deneyler için özel yapım Fotoelektrokimyasal hücreÖrneğin, cam / malzeme atölyesiÖzel yapım
Matrox 4Sight GPm (tahta bilgisayar)Matrox görüntülemeIvy Bridge, 7 x Kablo Ace gücü G/Ç HRS 6p, açık 10m, Matrox 4sight GPm için Güç Adaptörü, Samsung 850 Pro 2,5" 1 TB, 250Gb sabit sürücü karşılığında Katı Hal Sürücüsü
2-propanolSigma AldrichI9516-500ML
35mm Kowa LM35HC 1" Sensör F1.4 C-mount (2 x)Basler AG
AsetonSigma Aldrich650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl) referans elektroduWPIDRIREF-5
Alüminyum breadboard, 450 mm x 450 mm x 12,7 mm, M6 Musluklar (2 x)ThorlabsMB4545/M Beher
, 100 mLVWR10754-948
Siyah epoksiElectrolubeER2162
BromSigma Aldrich1.01945 EMD Millipore
Renkli kamera (2 x)Basler AGacA2040-25gc
İletken gümüş epoksiMG Kimyasalları8331-14G
Bakır telÖrneğin, Sigma Aldrich349224-150CM
EtanolSigma Aldrich459844-500ML
Falcon tüpleri, 15 mLVWR62406-200
Torpido gözüSigma AldrichZ530212
Hidroklorik asit (1 M)Sigma AldrichH9892
Manyetik karıştırıcıVWR97042-626
MetanolSigma Aldrich34860-100ML-R
Mikroskop slaytlarıVWR82003-414
MilliQ su
NIR kamera (2 x)Basler AGacA1300-60gm
Azot, sınıf 5NAirgasNI UHP300
Ø 1 "İstiflenebilir Lens Tüpleri (6 x)ThorlabsSM1L03
O2 Plazma Tesisi
OEM Flanşı - SM İplik Adaptörleri (4 x)ThorlabsSM1F2
ParafilmVWR52858-000
Pasteur pipetiVWR14672-380
Perklorik asit (1 M)Sigma Aldrich311421-50ML
Petri kabıVWR75845-546
Mikro yerçekimi deneyleri için fotoelektrokimyasal hücreÖrneğin, cam / malzeme atölyesi
Polistiren parçacıkları, 784 nm, %5 (a/h)Microparticles GmbH0.1-0.99 &mikro; m boyutu (50 mg / ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml
Potansiyostatlar (2 x)BiyolojikSP-200/300
Pt karşı elektrotALS-Japonya12961
Rodyum (III) kloridSigma Aldrich520772-1G
Deklanşör kontrol sistemi (2 x)
Silikon referans fotodiyotThorlabsFDS1010
Sodyum kloridSigma Aldrich567440-500GM
Kameraları sabitlemek için standlar ve çubuklarVWR
Sülfürik asit (0.5 M)Sigma Aldrich339741-100ML
Telesentrik Yüksek Çözünürlük Tip WD110 serisi Tip MML1-HR110Basler AG
ToluenSigma Aldrich244511-100ML
Düşme kulesi için artık perklorik asit vb. için çeşitli yedek beherler ve kaplarVWR
WI lambası (2 x)Edmund OpticsDolan-Jenner MI-150 Fiber Optik Aydınlatıcı
CM-12 elektron mikroskobu, ikiz objektif lensli, CCD kamera (Gatan) sistemi ve X-ışınlarının enerji dağıtıcı spektroskopisi (EDS) sistemiPhilips
Boyut Simgesi AFM, döndürülmüş simetrik ScanAsyst-Air uçlar (silisyum nitrür), 2 nmBruker
Işık kılavuzlu nominal uç yarıçapı

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Solar Hydrogen ProductionMicrogravity EnvironmentPhotoelectrochemical Water SplittingP type Indium PhosphideRhodium ElectrocatalystShadow Nanosphere LithographyBremen Drop TowerGas Bubble DetachmentCyclic VoltammetryAtomic Force Microscopy

Related Articles