Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Эффективное производство солнечно-водородного топлива недавно было реализовано на функционализированных полупроводниковых электрокатализаторских системах в фотоэлектрохимической полуэлементе в микрогравитационной среде в Бременском дроп-тауэр. Здесь мы сообщаем об экспериментальных процедурах производства полупроводниково-электрокатализаторского устройства, подробностях экспериментальной установки в капсуле падения и экспериментальной последовательности во время свободного падения.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Долгосрочные космические полеты и научно-исследовательские платформы cis-lunar нуждаются в устойчивом и легком аппаратном обеспечении жизнеобеспечения, которое может быть надежно использовано за пределами атмосферы Земли. Так называемые устройства «солнечного топлива», разработанные в настоящее время для наземного применения в поисках устойчивой энергетической экономики на Земле, обеспечивают перспективные альтернативные системы существующим подразделениям по оживлению воздуха, используемым на Международном пространстве станция (ISS) через фотоэлектрохимическое водорасщеление и производство водорода. Одним из препятствий для воды (фото-) электролиза в условиях пониженной гравитации является отсутствие плавучести и, как это, препятствует выбросу газового пузыря из поверхности электрода. Это приводит к образованию слоев пузырьков газа в непосредственной близости от поверхности электрода, что приводит к увеличению устойчивости к онмии и потери клеточной эффективности из-за снижения массовой передачи субстратов и продуктов к и из электрода. Недавно мы продемонстрировали эффективное производство солнечного водорода в условиях микрогравитации, используя интегрированную полупроводниково-электрокатализаторную систему с фосфидом р-типа в качестве светопоглощателя и родийского электрокатализатора. Путем наноструктуры электрокатализатора с помощью теневой наносферной литографии и тем самым создавая каталитические «горячие точки» на фотоэлектродной поверхности, мы смогли преодолеть ограничения на слияние газовых пузырей и передачу массы и продемонстрировать эффективный водород производства при высокой плотности течения в условиях уменьшенной гравитации. Здесь описаны экспериментальные детали для подготовки этих наноструктурированных устройств и далее, процедуры их тестирования в условиях микрогравитации, реализованной в Бременском drop Tower в течение 9,3 с свободного падения.

Introduction

Наша атмосфера на Земле формируется в результате кислородного фотосинтеза, процесса 2,3 миллиарда лет, преобразующего солнечную энергию в богатые энергией углеводороды, высвобождая кислород в качестве побочного продукта и используя воду и CO2 в качестве субстратов. В настоящее время искусственные фотосинтетические системы, следуя концепции энергетической схемы катализа и передачи заряда в естественном фотосинтезе, реализуются в полупроводниковых электрокатализаторских системах, показывая до сих пор эффективность преобразования солнечной к водороду 19 %1,2. В этих системах полупроводниковые материалы используются в качестве легких амортизаторов, покрытых тонким прозрачным слоем электрокатализаторов4. Интенсивные исследования в этой области способствуют глобальному поиску возобновляемых энергетических систем с водородом и длинноцепочечными углеводородами, что делает отличными кандидатами на альтернативное топливо. Аналогичные препятствия существуют и в долгосрочных космических миссиях, где пополнение ресурсов с Земли невозможно. Требуется надежное аппаратное обеспечение жизнеобеспечения, использующий эффективный блок оживления воздуха, обеспечивающий около 310 кг кислорода на одного члена экипажа в год, не учитывающий внекорачную деятельность5. Эффективное солнечное устройство для разделения воды, способное производить кислород и водород или уменьшать углекислый газ солнечной помощи и в монолитной системе обеспечит альтернативный, легкий маршрут к используемым в настоящее время технологиям на ISS: блок оживления воздуха состоит из разделенной системы с щелочным электролизером, концентратором твердого углекислого газа амина и Сабатье реактором для уменьшения CO2.

Беспрецедентно, мы реализовали эффективное производство солнечной водорода в условиях микрогравитации, обеспечиваемое 9,3 с во время свободного падения в Бременском Drop Tower (ЗАРМ, Германия)6. Используя р-тип фосфида в качестве полупроводникового светопоглощателя7,8, покрытый наноструктурированным электрокатализатором родия, мы преодолели ограничения субстрата и массы продукта на и с фотоэлектродной поверхности, что является препятствием в условиях пониженной гравитации из-за отсутствия плавучести9,10. Применение теневой наносферной литографии11,12 непосредственно на фотоэлектродной поверхности позволило сформировать родий-каталитические «горячие точки», которые препятствовали слиянию пузырьов водородного газа и образованию слоя пены в непосредственной близости от поверхности электрода.

В этом материале мы предоставляем экспериментальные детали фотоэлектродного препарата p-InP, включая офорт и кондиционирование поверхности, а затем применение теневой наносферной литографии на поверхности электрода и фотоэлектродепозицию родия наночастицы через полистирол сферы. Кроме того, описана экспериментальная установка в капсуле капли в Бременском Дрог-Тауэр и приведены детали экспериментальной последовательности во время 9,3 с свободного падения. Образец рассрочки и обработки до и после каждой капли изложены, а также подготовка капсулы падения и ее оборудования для работы источников освещения, potentiostats, затвора управления и видеокамеры по команде.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка фотоэлектродов p-InP

  1. Используйте один кристалл p-InP (ориентация (111 A), концентрация допинга в размере 5 х 1017 см-3) в качестве фотоабсорбциера. Для подготовки к задней контакту испаритесь 4 нм Au, 80 нм и 150 нм Au на обратной стороне и нагреть его до 400 градусов по Цельсию в течение 60 с.
  2. Применить Ag пасты, чтобы прикрепить ohmic контакт с тонкой пластинкой Cu провода. Протяните проволоку к стеклянной трубке, инкапсулируют образец и загерметизм его к стеклянной трубке с помощью черной, химической резистентной эпоксидной смолы.
  3. Для удаления местных оксидов вытравите 0,5 см2 полированного индиума лица p-InP на 30 с в 10 мл раствора брома/метанола (0,05% w/v), промойте поверхность этанолом и ультрачистой водой на 10 с каждого и высушите образец под потоком азота. Подготовьте растворы из ультрачистых химических веществ в воде и аналитического класса с уровнем органической примеси ниже 50 ppb.
    ВНИМАНИЕ: Бром вызывает острую токсичность при вдыхании, коррозии кожи и острой водной токсичности. Носите защитное оборудование, такое как защитные очки, перчатки и лабораторное пальто. Работа под капотом дыма. Метанол легковоспламеняется, вызывает острую токсичность (устная, дермальная и ингаляционная) и, как известно, вызывает специфическую токсичность органов-мишеней. Носите защитное оборудование, такое как защитные очки, перчатки и лабораторное пальто. Работа под капотом дыма.
  4. Впоследствии состояние p-InP электрода фотоэлектрохимически в стандартной трехэлектродной потенциостатического расположения. Используйте боросиликатную стеклянную ячейку с кварцевым окном в качестве фотоэлектрохимической ячейки для освещения образца бело-световой галогенной лампой вольфрама (100 мВт/см2)во время процедуры.
  5. Отрегулируйте интенсивность света с помощью откалиброванный кремниевый справочный фотодиод.
  6. Подготовьте раствор 0,5 М HCl и очистите его в фотоэлектрохимической клетке с азотом 5,0 чистоты в течение 15 мин.
  7. Используйте потентиодинамический велоспорт между -0.44 V und 0.31 V при скорости сканирования 50 мВ с-1 для 50 циклов, чтобы фотоэлектрохимически состояние образца под непрерывным освещением.
    ВНИМАНИЕ: Гидрохлорная кислота вызывает серьезные повреждения глаз, коррозию кожи и она разъедает металлы. Кроме того, он обладает специфической токсичностью органов-мишеней после одного воздействия. Носите защитное оборудование, такое как защитные очки, перчатки и лабораторное пальто. Работа под капотом дыма.

2. Изготовление родийных наноструктур

  1. Работате теневую наносферную литографию (SNL)11,12 для формирования родийских наноструктур на фотоэлектроде p-InP. Для создания полистирола маски на p-InP электрод, получить моно-рассеянные бусы полистирола (PS) размером 784 нм при концентрации 5% (w/v) и растворить их в ультрачистой воде.
  2. Для получения конечного объема в 600 л смешайте 300 л дисперсии полистирола с 300 йл этанола, содержащего 1% (w/v) стирола и 0,1% серной кислоты (v/v).
  3. Нанесите раствор на поверхность воды с помощью пипетки Pasteur с изогнутыми кончиками. Для того, чтобы увеличить площадь монокристаллических структур, поверните чашку Петри мягко. Тщательно распределите раствор, чтобы покрыть 50% воздушно-водного интерфейса с монослой hcp. Оставьте место для снятия стресса и избежать образования трещин в решетке во время следующих шагов подготовки.
  4. Защитите провод Cu фотоэлектрохимически обусловленных электродов p-InP с помощью парафильма. Поместите их деликатно под плавающей закрытой упакованной маской сферы PS, тщательно прикрепляя их к слайду микроскопа, предотвращая поворачивание образцов. Аккуратно удалите остаточную воду с помощью пипетки и путем испарения, в результате чего маска будет впоследствии отложена на поверхность электрода.
  5. Выннизвините электрод из чашки Петри и аккуратно высушите поверхность с помощью N2. Храните электрод под азотом до фотоэлектродепозиции родия (например, в ошикаторе).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол может быть приостановлен здесь на срок до одной недели.

3. Фотоэлектродепозиция родиевых наночастиц

  1. Для фотоэлектрохимического отложения родиевых наночастиц через маску сферы PS поместите электрод в электролитный раствор, содержащий 5 мМ RhCl3,0,5 М NaCl и 0,5% (v/v) 2-пропанол и нанесите постоянный потенциал Vdep - 0,01 В для 5 с при одновременном освещении с Лампой W-I (100 м/м). Электрохимические характеристики, такие как электрохимические клетки, эталонные и встречные электроды, такие же, как и для процедуры фотоэлектрохимического кондиционирования.
  2. Промыть фотоэлектрод ультрачистой водой и высушить его под нежным потоком N2.
  3. Для того, чтобы удалить PS-сферы с поверхности электрода, поместите электроды на 20 минут под нежным перемешиванием в стакан е 10 мл толуола (электрод должен быть покрыт толуолом). Затем промыть электрод ацетоном и этанолом по 20 с каждый.
  4. Удалите остаточный углерод с поверхности O2-плазменнойочистки в течение 6 мин при давлении процесса 0,16 мбар, 65 Вт и газовых ввозаo O2 и Ar 2 скм и 1 скм, соответственно.
  5. Подготовьте образцы за неделю до испытаний в дроп-башне и храните их до экспериментов в атмосфере N2 в темноте (например, в перчаточном мешке или обезвождении).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол может быть приостановлен о течение примерно 1-2 недель.

4. Фотоэлектрохимические эксперименты в условиях микрогравитации

  1. Для проведения экспериментов в условиях микрогравитации обратитесь к одному из основных объектов высасывающей башни (например, ВЦентр прикладных космических технологий и микрогравитации (ЗАРМ), Бремен, Германия).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используя катапультную систему, 9,3 с микрогравитационной среды могут быть созданы на ЗАРМ с приближенным минимальным уровнем g-уровня около 10-6 мс -2 13. Гидравлически управляемая пневматическая поршневая цилиндрическая система используется для запуска капсулы падения(рисунок 1А)вверх от нижней части башни. Капсула снова замедляется в контейнере, который помещается на цилиндрсистемы во время свободного падения.
  2. Для проведения двух экспериментов в условиях микрогравитации параллельно используйте двухкомпонентную фотоэлектрохимическую ячейку (объем заполнения каждой клетки: 250 мл) для проведения двух экспериментов в условиях микрогравитации. Передняя часть каждой ячейки должна состоять из оптического кварцевого стекла (диаметр: 16 мм) для освещения работающего электрода (см. рисунок 1В).
  3. Используйте трехэлектродное расположение в каждой ячейке для фотоэлектрохимических измерений с помощью счетчика Pt и эталонного электрода Ag/AgCl (3 M KCl) в HClO4 (1 М). Добавьте 1% (v/v) изопропанол к электролиту, чтобы уменьшить поверхностное натяжение и усилить высвобождение пузырьков газа. Используйте белый источник света W-I для освещения каждого клеточного отсека через оптические окна.
    ВНИМАНИЕ: Концентрированная перхлорная кислота является сильным окислителем. Органические, металлические и неорганические соли, образуемые в результате окисления, чувствительны к шоку и представляют большую опасность пожара и взрыва. Носите защитные очки, перчатки и защитное лабораторное пальто. Работа под дымом капот и свести к минимуму скамейке верхней время хранения.
  4. Для исследования газовых пузырей прикрепите две камеры к каждой ячейке с помощью оптических зеркал и лучевой камеры (например, цветная камера спереди и монохромная камера сбоку, см. Рисунок 1) для записи эволюции газового пузыря во время свободного падения эксперимента. Для каждой капли храните записанные данные на интегрированном бортовом компьютере в капсуле падения. Запись отдельных изображений со скоростью кадров (например, 25 кадров в секунду (цветная камера) и 60 кадров в секунду (монохромная камера)).
  5. Капсула капли оснащена несколькими досками(рисунок 1). Установите фотоэлектрохимическую установку и камеры на оптическую доску и прикрепите ее к одной из средних досок в капсуле. Используйте оставшиеся доски для рассрочки дополнительного оборудования, такого как потенциостаты, источники света, элементы управления затвором и бортовой компьютер. Прикрепите запас батареи в нижней части капсулы для питания настройки во время свободного падения(рисунок 1).
  6. Напишите автоматизированную последовательность сброса для экспериментальных шагов, которые должны контролироваться и осуществляться в условиях микрогравитации. Программа должна быть запущена до каждой капли. При достижении микрогравитационной среды последовательность должна автоматически запускать камеры, источники освещения и электрохимический эксперимент продолжительностью 9,3 с, одновременно погружая рабочий электрод в электролит с помощью пневматической системы (см. рисунок 1, таблица 1).
  7. Исследование производства легкомоторного водорода на образцах в фотоэлектрохимических измерениях (например, циклическая вольтамметрия и хроноамперетрия).
    1. Контролируйте электрохимические параметры двумя потентиостатами в капсуле. Для оптимального разрешения в измерениях J - V используйте скорость сканирования (dE/dt) от 218 мВ/с до 235 мВ/с для запуска 3 циклов сканирования в экспериментах по колесному напряжению на велосипеде, используя диапазоны напряжения от 0,25 В до -0,3 В против Ag/AgCl (3 M KCl). Используйте первоначальный потенциал, Ei q 0,2 V против Ag/AgCl (3 M KCl) и отделочные потенциалы, Ef й 0,2 V против Ag/AgCl (3 M KCl). Для сравнения записанных измерений J - V, возьмите второй цикл сканирования каждого эксперимента для анализа.
    2. При хроноамперометрических измерениях используйте временной масштаб сгенерированной микрогравитационной среды, 9,3 с, для записи фототока, производимого в образце. Для сравнения произведенных фототоков нанесите потенциальные диапазоны от -0,3 V до -0,6 В против Ag/AgCl (3 M KCl).
  8. В конце каждой капли, когда капсула падения снова замедляется до нулевой скорости, используйте последовательность падения, чтобы образец был удален из электролита и камеры, потентиостаты и источники освещения будут выключены.
  9. После извлечения капсулы из контейнера для торможения удалите защитный щит капсулы. Удалите образцы из пневматического шата, промойте их ультрачистой водой и высушите под нежным потоком азота. Храните их в атмосфере N2 до проведения оптических и спектроскопических исследований.
  10. Обмен электролита в двух клетках, обеспечить функцию всех инструментов, прежде чем оборудовать клетки с новыми образцами и подготовить капсулу для другого эксперимента падение.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Офорт поверхности p-InP вBr 2/ метанол для 30 s с последовательным фотоэлектрохимическим кондиционированием образца путем циклиичной поляризации в HCl хорошо зарекомендовал себя в литературе и обсуждается (например, Шульте и Леверенц (2001)14,15). Процедура травления удаляет родной оксид, оставшийся на поверхности(Рисунок 2) и электрохимический велосипед в HCl вызывает кроме того значительное увеличение коэффициента заполнения клеточной производительности, сопровождаемое плоским сдвигом полосы p-InP от 0,56 V до 0,69 V15. Кроме того, пассивное образование слоя во время циклической поляризации в HCl фотокатарически защищает поверхность InP от анодичной коррозии. После процедуры кондиционирования, самосборка 784 нм полистирола латексных наносфер на поверхности p-InP используется для формирования коллоидных частиц монослой, который далее служит в качестве литографической маски в процессе осаждения Rh (Рисунок 3A, B). На рисунке 3B показано изображение AFM фотоэлектрода после удаления сфер PS. Применение SNL приводит к наноразмерной, двумерной периодической структуре Rh с однородным массивом отверстий в металлической, прозрачной пленке Rh. Изображение AFM с высоким разрешением(рисунок 3C) иллюстрирует шестиугольную структуру ячейки с узнаваемыми зернами Rh. Поперечные профили на рисунке 3D показывают, что родиевная сетка однородко распределена по поверхности p-InP с высотой около 10 нм, образуя каталитический слой. Для определения интервала между решетками самолета, расстояния между дифракционным итог, представляющих взаимные решетки, использовались комбинированные tEM и FFT-анализы. Наши расчеты показывают, что решетчатая плоскость находится в порядке от 2,17 до 2,18 евро, подтверждая (111) кубическую структуру отложенного родия(рисунок 4). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показывает, что наноструктурированный электрод p-InP-Rh содержит слой InOx/POx, при этом доказательства предоставлены более крупным сигналом InP на уровне 128,4 eV. Это неудивительно из-за открытых зон InP в результате удаления сфер ПС; здесь ИНП непосредственно подвергается воздействию окружающей среды (т.е. воздуха и электролита(рисунок 5)).

Было показано, что микрогравитационная среда оказывает значительное влияние на электролиз воды, который был известен с 1960-х годов, и влияние пониженной гравитации на движение пузырьков и капель хорошо документировано (см., например, ссылка 16). Исследования проводились особенно в рамках разработки системы жизнеобеспечения космических путешествий, которая включает в себя водно-электролизный компонент.

До сих пор исследования водного электролиза под микрогравитационной средой в "темных" экспериментах привели к стабильному образованию слоя пенного слоя газового пузыря в непосредственной близости от поверхностей электрода, а сопутствующее сопротивление онхоме увеличило линейно толщину слоя пены как в кислых, так и в щелочных электролитах17,18,19. Кроме того, диаметр пузырьков газа увеличился, и пузырьки прилипли к мембране, разделяющей две полуклетки20,21. Кроме того, было продемонстрировано, что пузырь индуцированной микроконвекции доминирует в массовом переносе в условиях микрогравитации8,21 и было высказано предположение, что массовая передача субстратной воды на поверхность электрода контролирует процесс электролиза воды, который контролируется в нормальных условиях гравитации электродной реакцией22.

Здесь занятына наноструктурированных p-InP-Rh фотоэлектродов, изготовленных через SNL может преодолеть эту проблему: фототовообразно-вольтовых измерений не показывают существенных различий между наземными испытания образцов в 1 M HClO4 и образцы, протестированные в 9,3 с микрогравитации окружающей среды в Бремен Drop Tower (Рисунок 6A,B)6. Характеристики J-V(рисунок 6A),дополнительно, хроноамперометрические измерения(рисунок 6B) наноструктурированных образцов почти идентичны в земной и микрогравитационной среде. Разница в потенциале открытой цепи (VOC)объясняется различиями в производительности фотоэлектродов, как показано ранее6. Введенные родийкататические «горячие точки» на поверхности p-InP SNL позволяют образованию пузырьков газа происходить в различных точках на фотоэлектродной поверхности, предотвращая слияние пузырьков и увеличивая выход из газового пузыря. Добавление 1% (v/v) изопропанола к электролиту уменьшает поверхностное натяжение электролита кроме того, также приводит к благоприятствования отрыва пузырьов газа от поверхности электрода.

Figure 1
Рисунок 1: Схема экспериментальной настройки электрохимических экспериментов в условиях микрогравитации. На снимках показана оборудованная капсула сбросом(A)и детали фотоэлектрохимической установки на второй платформе капсулы drop (B). Капсула содержит батареи для питания во время свободного падения (платформа 5), капсула системы управления для экспериментального управления (платформа 4), два W-I источников света и настольный компьютер (платформа 3, см. Таблица материалов), фотоэлектрохимической установки в том числе четыре цифровые камеры (платформа 2), и два potentiostats и два ящика управления затвором (платформа 1). Четыре цифровые камеры в фотоэлектрохимической установке (платформа 2) позволяют фиксировать образование пузырьков газа на фотоэлектроде спереди каждой электрохимической ячейки через пучковые сплиттеры и со стороны через зеркала. Фотоэлектроды освещались через лучевые сплиттеры перед клеткой. Через пневматический подъемный пандус фотоэлектроды погружаются в электролит непосредственно перед достижением микрогравитационных условий. Эта цифра была изменена с Brinkert et al. (2018)6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Нажатие режима AFM топографии изображения p-InP поверхности до и после поверхности изменения шаги. Панель А показывает поверхность p-InP перед процедурами модификации, (B) после травления поверхности в растворе брома/метанола и (C) после кондиционирования образца в HCl. (D) Гистограмма анализа распределения высоты террас на p-InP образца (синяя линия), после травления в бромин / метанол (желтая линия) и после кондиционирования в HCl (красная линия). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Нажатие-режим AFM топографии изображения (см. Таблица материалов) поверхности p-InP после нанесения теневой наносферной литографии. (A) Отложенный монослой частиц полистирола на субстрате p-InP. (B, C) Поверхность после осаждения родия и удаления частиц полистирола при двух увеличениях. (D) Был создан профиль высоты трех различных пятен на поверхности электрода, чтобы позволить дальнейшую характеристику отложенной сетки Rh. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: ТЭМ высокого разрешения анализа фотоэлектронных злаков родия на электроде р-ИнП при различных увеличениях (см. Таблица материалов). Изображения преобразования 2D-Fourier показывают соответствующий шаблон дифракции с интервалом между решеткой плоскости 2,2 х (111), характерной для кубических структур. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Рентгеновские фотоэлектронные спектры наноструктурированных фотоэлектродов p-InP-Rh. (A) В 3d основных уровнях; (B) P 2p основных уровней и (C) Rh 3d уровней ядра. Цветовое кодирование под линиями относится к соответствующей композиции, как показано в легенде. Эта цифра была изменена с Brinkert et al. (2018)6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Результаты фотоэлектрохимических экспериментов в условиях микрогравитации. (A)J-V измерения наноструктурированных фотоэлектродов p-InP-Rh в наземных (1 г, красный) и микрогравитации (10-6 г, синий) в 1 М HClO4 с добавлением 1% (v/v) изопропанола к электролиту при 70 мВт/см2 освещения с лампой W-I. Различия в VOC наноструктурированных образцов в наземных и микрогравитационных условиях подвержены разнице в производительности фотоэлектродов, как показано ранее6. (B) Хроноамперометрические измерения наноструктурированных фотоэлектродов p-InP-Rh в земной (красной) и микрогравитационной среде (10-6 г, синий) в 1 M HClO4 с добавлением 1% (v/v) изопропанола к электролиту при 70 мВт/см2 освещения с лампой W-I. Прикладной потенциал был установлен на -0.09 V против RHE. Увеличенное отношение сигнала к шуму в конце измерений связано с замедлением капсулы падения после 9.3 s. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Таблица 1: Подробная экспериментальная последовательность для производства фотоэлектрохимического водорода водорода в условиях микрогравитации в Бременском дроп-тауэр. Эта таблица была изменена с Brinkert et al. (2018)6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Для приготовления фотоэлектродов важно минимизировать воздействие кислорода между травлением и процедурой кондиционирования и очистить 0,5 М ЛЦ перед использованием около 10 - 15 мин с азотом. После того, как образцы кондиционируются, они могут храниться в атмосфере азота в 15 мл конических труб в течение нескольких часов, чтобы обеспечить транспортировку образца и/ или время подготовки масок частиц полистирола. Для достижения однородного расположения сфер ПС на электродном субстрате важно сформировать непрерывную маску сфер ПС на поверхности воды, которую можно наблюдать как непрерывную, отражающую пленку. После того, как маска формируется, последовательный этап фотоэлектродепозиции родия должен следовать в 2 - 3 ч. Наилучшие результаты для однородного монослой сфер ПС на электроде достигаются за счет медленного испарения воды вместо тщательного удаления воды путем пайпетирования. Маска стабильна на поверхности электрода в течение нескольких дней, однако рекомендуется прямая фотоэлектродепозиция родия. Важно, чтобы электрод с маской PS помещается в aqueous раствор RhCl3 только незадолго до и удаляется после осаждения, чтобы предотвратить растворение сфер PS. Для удаления остаточных оксидов поверхности из фотоэлектрода, который является результатом применения SNL и удаления сфер PS с поверхности электрода, рекомендуется повторить шаг циклов поляризации в HCl в течение примерно 10 циклов после удаления частиц полистирола, следуя тому же протоколу, что и выше.

Для фотоэлектрохимических измерений в течение 9,3 с свободного падения, некоторые аспекты должны быть рассмотрены. Сроки эксперимента имеет решающее значение, и запрограммированная последовательность падения должна быть тщательно протестирована в наземных условиях, прежде чем капсула падения с экспериментальной настройкой будет перенесена в башню. Перед закрытием капсулы рекомендуется проверка окончательного оборудования, гарантируя, что потенциостаты и источники света включены и дополнительные винты и инструменты удаляются из капсулы. Незащищенные предметы в капсуле могут легко уничтожить экспериментальную установку во время свободного падения.

Важным параметром для измерения фототок-напряжения поведения внутри башни падения является интенсивность света, которая должна быть скорректирована с объективом камеры: если поведение эволюции газового пузыря регистрируется одновременно через камеры, которые прикреплены к клетке, прямое освещение на йgt;70 мВт/см2 исключает запись пузырьков газа с передней панели фотоэлектрохимической ячейки; входящий свет ослепляет линзы. Таким образом, изображения электродов во время свободного падения могут быть записаны и оценены только спередней части ячейки при легкой интенсивности 70 мВт/см2 без каких-либо дальнейших применений защиты объектива. Экспериментальное время 9,3 с также должно быть учтено при проектировании фотоэлектрохимических измерений; для J - V измерений, скорость сканирования (dE/dt) от 218 мВ/с до 235 мВ/с были использованы для проведения около 3 циклов сканирования в экспериментах на велосипеде вольттамметрии. Для сравнения записанных измерений J - V рекомендуется провести анализ второго цикла сканирования каждого эксперимента.

Учитывая отличное качество микрогравитации 10-6 г в Бременском Drop Tower, анализ образования газовых пузырьков в видеозаписях возможен, что оказалось более сложным в экспериментах по электролизу воды в параболических полетах из-за дополнительных механических движений самолета (т.е. g-jitter)21. Использование бортового компьютера для хранения данных во время свободного полета было показано, что достаточной альтернативой (см. Таблицу материалов).

В заключение, теневая наносферная литография является простым и ценным инструментом для внедрения наноструктуры электрокатализатора непосредственно на полупроводниковую поверхность - различные размеры частиц полистирола могут быть использованы для изменяния размера каталитически активных участков на поверхности светопоглощающего. Различные процедуры осаждения электрокатализатора, такие как (фото-) электродепозиция и испарение электрокатализатора позволяют изменять каталитические формы. Метод позволяет разрабатывать устройства, которые эффективно производят свето-ассистирующий водород в микрогравитационной среде путем формирования электрокаталитало активных «горячих точек» на фотоэлектродной поверхности. Хотя долгосрочные исследования в среде микрогравитации по-прежнему необходимы для исследования и оптимизации устойчивости устройств для применения в космической среде, p-InP уже было показано, что стабильный фотокатодинный материал в земных условиях после введения слоя защиты TiO2, предотвращая фотокоррозию материала23.

Мы показали, что объекты выпадающих башен, такие как Бременский drop Tower в Центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ЗАРМ), являются отличными микрогравитационными средствами, позволяющими иссмотреть фотоэлектрокаталитические характеристики этих устройств во время свободного падения. Они обеспечивают легкий доступ, недорогой альтернативой Международной космической станции с высоким качеством микрогравитации в течение времени диапазона 9,3 с. Здесь сообщили экспериментальный набор обеспечивает, следовательно, идеальной отправной точкой для исследования дальнейших фотоэлектрохимических полуклеточных реакций и устройств для без посторонней помощи расщепления воды и CO2 сокращение в уменьшенной гравитации среды для разработки и оптимизации аппаратных средств жизнеобеспечения для длительных космических путешествий и наземных приложений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

K.B. признает финансирование из программы стипендий Немецкой национальной академии наук Леопольдины, грантLPS 2016-06 и Европейского космического агентства. Кроме того, она хотела бы поблагодарить д-ра Леопольда Саммерера, команду Advanced Concepts Team, Алана Доусона, д-ра Джека ван Лоуна, д-ра Габора Милассина и д-ра Роберта Линднера (ESTEC), Робберта-Яна Нурдама (Notese) и профессора Гарри Б. Грея (Caltech) за их большую поддержку. M.H.R. благодарна за щедрую поддержку профессора Натана С. Льюиса (Caltech). K.B. и M.H.R. признают поддержку Со стороны Института Бекмана Калифорнийского технологического института и Исследовательского центра молекулярной материалов. Команда PhotoEChem высоко ценит финансирование со стороны Германского аэрокосмического центра (Deutsches Centerr f'r Luft- und Raumfahrt e.V.) для проекта No 50WM1848. Кроме того, M.G. признает финансирование из Гуандун Инновационной и предпринимательской команды программы под названием "Плазмонные наноматериалы и квантовые точки для управления светом в оптоэлектронных устройств" (No 2016-T06C517). Кроме того, авторская группа высоко ценит усилия и поддержку со стороны команды ЗАРМ с Дитером Бишоффом, Торстеном Лутцем, Маттиасом Мейером, Фредом Откеном, Яном Зимерсом, д-ром Мартином Кастильо, Магдаленой Тод и доктором Торбеном Кёнеманном. Он также благодарен за просветительские беседы с профессором Ясухиро Фукунакой (Университет Васэда), профессором Хисаёси Мацусимой (Университет Хоккайдо) и доктором Слободаном Митровичем (Lam Research).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure. Nature Communications. 6, 8286 (2015).
  2. Young, J. L., Steiner, M. A., Döscher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G. Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures. Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).
  3. Cheng, W. H., Richter, M. H., May, M. M., Ohlmann, J., Lackner, D., Dimroth, F., et al. Monolithic Photoelectrochemical Device for 19% Direct Water Splitting. ACS Energy Letters. 3, 1795-1800 (2018).
  4. Lewerenz, H. -J., Heine, C., Skorupska, K., Szabo, N., Hannappel, T., Vo-Dinh, T., Campbell, S. H., Klemm, H. W., Munoz, A. G. Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems. Energy & Environmental Science. 3, 748-761 (2010).
  5. Raatschen, W. Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS. Acta Astronautica. 48, (5-12), 411-419 (2001).
  6. Brinkert, K., Richter, M., Akay, Ö, Liedtke, J., Gierisig, M., Fountaine, K. T., et al. Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment. Nature Communications. 9, 2527 (2018).
  7. Heller, A., Vadimsky, R. G. Efficient solar to chemical conversion: 12 % efficient photoassisted electrolysis in the p-type InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh) cell. Physical Review Letters. 46, 1153-1155 (1981).
  8. Muñoz, A. G., Heine, C., Lublow, M., Klemm, H. W., Szabó, N., Hannappel, T., et al. Photoelectrochemical conditioning of MOVPE p-InP films for light-induced hydrogen evolution: chemical, electronic and optical properties. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2, Q51-Q58 (2013).
  9. Sakurai, M., Sone, Y., Nishida, T., Matsushima, H., Fukunaka, Y. Fundamental Study of Water Electrolysis for Life Support System in Space. Electrochimica Acta. 100, 350-357 (2013).
  10. Sakuma, G., Fukunaka, Y., Matsushima, H. Nucleation and Growth of Electrolytic Gas Bubbles under Microgravity. International Journal of Hydrogen Energy. 39, (2014), 7638-7645 (2014).
  11. Patoka, P., Giersig, M. Self-Assembly of Latex Particles for the Creation of Nanostructures with Tunable Plasmonic Properties. Journal of Materials Chemistry. 21, 16783-16796 (2011).
  12. Jensen, T. R., Malinsky, M. D., Haynes, C. L., Van Duyne, R. P. Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver. Journal of Physical Chemistry B. 104, 10549-10556 (2000).
  13. Selig, H., Dittus, H., Lämmerzahl, C. Drop Tower Microgravity Improvement Towards the Nano-g Level for the Microscope Payload Tests. Microgravity Science and Technology. 22, 539-549 (2010).
  14. Lewerenz, H. J., Schulte, K. H. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes: II. Photoelectron Spectroscopy. Electrochimica Acta. 47, (16), 2639-2651 (2002).
  15. Schulte, K. H., Lewerenz, H. J. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes. I. The Modification Procedure. Electrochimica Acta. 47, (16), 2633-2638 (2002).
  16. Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. Cambridge University Press. Cambridge. (2001).
  17. Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity. Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).
  18. Kiuchi, D., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Kuribayashi, K. Ohmic Resistance Measurement of Bubble Froth Layer in Water Electrolysis under Microgravity. Journal of the Electrochemical Society. 153, (8), 138-143 (2006).
  19. Matsushima, H., Nishida, T., Konishi, Y., Fukunaka, Y., Ito, Y., Kuribayashi, K. Water Electrolysis under Microgravity Part 1. Experimental Technique. Electrochimica Acta. 48, 4119-4125 (2003).
  20. Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field. Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).
  21. Kaneko, H., Tanaka, K., Iwasaki, A., Abe, Y., Negishi, A., Water, K. amimotoM. Water Electrolysis under Microgravity Condition by Parabolic flight. Electrochimica Acta. 38, 729-733 (1993).
  22. Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions. Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).
  23. Lee, H. M., Takei, K., Zhang, J., Kapadia, R., Zheng, M., Chen, Y. -Z., Nah, J., Matthews, T. S., Chueh, Y. -L., Ager, J. -W., Javey, A. p‐Type InP Nanopillar Photocathodes for Efficient Solar‐Driven Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition. 51, (43), 10760-10764 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics