微小重力環境における効率的な太陽水素製造のための実験方法

Chemistry

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Summary

ブレーメンドロップタワーの微小重力環境における光電気化学半細胞における機能化半導体電気触媒システムでは、効率的な太陽水素製造が最近実現しています。ここでは、半導体-電気触媒装置の製造に関する実験手順、ドロップカプセル内の実験セットアップの詳細、自由落下時の実験シーケンスについて報告する。

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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).

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Abstract

長期宇宙飛行とシス・ルナスの研究プラットフォームは、地球の大気圏外で確実に採用できる持続可能で軽い生命維持ハードウェアを必要とします。いわゆる「太陽燃料」デバイスは、現在、地球上の持続可能なエネルギー経済を実現するために地上のアプリケーションのために開発され、国際宇宙で採用されている既存の空気再生ユニットに有望な代替システムを提供します光電気化学水分割と水素製造によるステーション(ISS)。減らされた重力環境における水(光)電解の障害の1つは、浮力の欠如と結果的に、電極表面からのガスバブル放出を妨げることである。これにより、電極表面に近接した気泡フロス層の形成が起こし、電極との間の基板や製品の大量移動の減少によるオーミック抵抗やセル効率損失の増加につながる。近年、光吸収剤とロジウム電気触媒としてp型リン化インジウムを用いた半導体電気触媒システムを用いて、微小重力環境で効率的な太陽水素製造を実証しています。影のナノsphereリソグラフィーを用いて電気触媒をナノ構造化し、光電極表面に触媒的な「ホットスポット」を作ることで、ガスバブル合体と質量移動の限界を克服し、効率的な水素を実証することができました。減らされた重力の高い現在の密度の生産。ここでは、これらのナノ構造デバイスの調製について実験的な詳細について説明し、さらに、微小重力環境での試験の手順を、9.3sの自由落下時にブレーメンドロップタワーで実現する。

Introduction

地球上の大気は、太陽エネルギーをエネルギーに富んだ炭化水素に変換し、副産物として酸素を放出し、水とCO2を基板として利用する23億年前の酸素光合成によって形成されています。現在、天然光合成における触媒と電荷移動のエネルギーZスキームの概念に従った人工光合成系が半導体-電気触媒系で実現されており、太陽から水素への変換効率が19%1、2、3であることを示している。これらのシステムでは、半導体材料は、電気触媒4の薄く透明な層で被覆された光吸収剤として採用されている。この分野における強烈な研究は、水素と長鎖炭化水素を用いた再生可能エネルギーシステムの世界的な探求によって促進され、代替燃料供給の優れた候補となっています。同様の障害は、地球からの資源の補給が不可能な長期的な宇宙ミッションにも直面している。信頼性の高い生命維持ハードウェアが必要であり、乗組員1人当たり年間約310kgの酸素を供給する効率的な空気再生ユニットを採用し、船外活動5を考慮していない。酸素と水素を生産したり、二酸化炭素を減らしたりできる効率的な太陽水分割装置とモノリシックシステムでは、現在ISSで採用されている技術への代替的な軽量ルートを提供します:空気再生ユニットは、アルカリ電解槽、固体アミン二酸化炭素濃縮器、CO2削減のためのサバティエ原子炉との分離システムで構成されています。

前例を経て、ブレーメンドロップタワー(ZARM、ドイツ)6でフリーフォール中に9.3 sによって提供される微小重力環境での効率的な太陽水素生産を実現しました。p型リン化インジウムを半導電性光吸収剤7,8をナノ構造ロジウム電気触媒で被覆し、力9、10の不在による重力低減環境における障害となる光電極表面との間の基板および製品質量移動制限を克服した。光電極表面に直接影のナノsphereリソグラフィー11,12を適用すると、ロジウム触媒「ホットスポット」の形成が可能となり、水素ガス気泡合体および電極表面の近接した霜層の形成を防止した。

本明細書では、表面エッチングやコンディショニングを含むp-InP光電極調製の実験的詳細を提供し、続いて電極表面上の影のナノsphereリソグラフィーの応用とロジウムの光電極位置を提供する。ポリスチレン球を通るナノ粒子。さらに、ブレーメンドロップタワーのドロップカプセル内の実験的セットアップについて説明し、9.3sのフリーフォール中の実験シーケンスの詳細を提供します。各ドロップの前後のサンプル割賦と取り扱い、およびコマンド時に照明源、ポテンショスタット、シャッターコントロール、ビデオカメラを操作するためのドロップカプセルとその機器の準備が概説されています。

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Protocol

1. p-InP光電極の調製

  1. 光吸収剤として単結晶p-InP(配向(111A)、Znドーピング濃度5×1017cm-3)を用いる。 背面接触の準備のために、ウエハの裏側に4 nm Au、80 nm Znおよび150 nm Auを蒸発させ、60sのために400°Cに加熱する。
  2. Agペーストを適用して、オーミックコンタクトを薄いメッキCuワイヤーに取り付けます。ワイヤーをガラス管に通し、サンプルをカプセル化し、黒い耐薬品性エポキシを使用してガラス管に密封します。
  3. 天然酸化物を除去するために、臭素/メタノール溶液の10mL(0.05%w/v)で30mSのp-InPの0.5cm2研磨インジウム面をエッチングし、表面をエタノールと超純水でそれぞれ10sですすいで、窒素フラックスの下で試料を乾燥させます。50 ppb未満の有機不純物レベルで超純水および分析グレードの化学物質からの溶液を準備します。
    注意:臭素は、吸入時に急性毒性、皮膚腐食および急性水生毒性を引き起こす。安全メガネ、手袋、ラボコートなどの保護具を着用してください。ヒュームフードの下で働く。メタノールは可燃性であり、急性毒性(経口、真皮および吸入)を引き起こし、特定の標的臓器毒性を引き起こすことが知られている。安全メガネ、手袋、ラボコートなどの保護具を着用してください。ヒュームフードの下で働く。
  4. 続いて、p-InP電極を標準的な3電極ポテンショスタティック配置で光電気化学的に調整する。光電気化学セルとして石英窓を持つホウケイ酸ガラスセルを使用して、処置中に白色光タングステンハロゲンランプ(100 mW/cm2)でサンプルを照らします。
  5. キャリブレーションされたシリコンリファレンスフォトダイオードを使用して光強度を調整します。
  6. 0.5 M HCl溶液を調製し、5.0純度の窒素を含む光電気化学セルで15分間パージします。
  7. 50サイクルのスキャンレートで-0.44 V und +0.31 Vの間でポテンショダイナミクスサイクリングを使用し、連続照明下でサンプルを光電気化学的に調整します。
    注意:塩酸は深刻な目の損傷、皮膚腐食を引き起こし、金属に腐食性です。さらに、単一暴露に続いて特異的な標的臓器毒性を有する。安全メガネ、手袋、ラボコートなどの保護具を着用してください。ヒュームフードの下で働く。

2. ロジウムナノ構造体の作製

  1. p-InP光電極上のロジウムナノ構造体の形成には影のナノsphereリソグラフィー(SNL)11、12を採用する。p-InP電極にポリスチレンマスクを作成するために、5%(w/v)の濃度で784nmサイズのポリスチレン(PS)のモノ分散ビーズを得て、超純水に溶解します。
  2. 600 μLの最終体積を得るために、ポリスチレンビーズ分散液の300μLを1%(w/v)スチレンと0.1%硫酸(v/v)を含む300μLのエタノールを混合します。
  3. 曲がった先端が付いているパスツールピペットを使用して水面に溶液を適用します。単結晶構造の面積を増やすには、ペトリ皿をやさしく回します。hcp単層で空気水界面の50%をカバーするように慎重に溶液を配布してください。応力緩和のために場所を残し、次の準備ステップ中に格子に亀裂を形成しないようにしてください。
  4. 光電気化学的に調整されたp-InP電極のCuワイヤーをパラフィルムで保護します。慎重に顕微鏡スライドにテーピングして、サンプルが回転するのを防ぐことで、浮遊閉じたパックされたPS球マスクの下に繊細に置きます。ピペットで残留水を穏やかに除去し、蒸発させてマスクを電極表面に付着させます。
  5. ペトリ皿から電極を取り出し、N2で表面を軽く乾燥させます。電極は、ロジウム光電極堆積物(例えば、デシケータ)まで窒素下に保管する。
    注: プロトコルはここで最大 1 週間一時停止できます。

3. ロジウムナノ粒子の光電極位置

  1. PS球マスクを介したロジウムナノ粒子の光電気化学堆積物の場合は、5 mM RhCl 3、0.5 M NaCl および 0.5% (v/v) 2-プロパノールを含む電解液に電極を配置し、W-I ランプ(100 mW/cm)で同時照明の下で Vdep = +0.01 V の一定の電位を適用します。電気化学セル、基準および対電極などの電気化学的仕様は、光電気化学コンディショニング手順と同様である。
  2. 光電極を超純水ですすいで、N2の穏やかな流れの下で乾燥させる。
  3. 電極表面からPS球を除去するために、10mLのトルエンを持つビーカーで穏やかに攪拌下で20分間電極を置きます(電極はトルエンで覆われるべきです)。続いて、電極をアセトンとエタノールでそれぞれ20sずつすすす。
  4. O2-プラズマ洗浄により表面から残留炭素を6分間、O2とArのO2とArのガス流入量がそれぞれ0.16mbar、65W、1sccmのガス流入で除去します。
  5. ドロップタワーでのテストの1週間前までサンプルを準備し、暗闇の中でN2雰囲気下で実験が行われ(例えば、グローブバッグやデシケーター)になるまで保存します。
    注:プロトコルは、約1〜2週間ここで一時停止することができます。

4. 微小重力における光電気化学実験

  1. 微小重力環境での実験については、主要なドロップタワー施設(例えば、応用宇宙技術・微小重力センター(ZARM)、ブレーメンドイツ)に問い合わせてください。
    注:カタパルトシステムを採用することにより、9.3sの微小重力環境をZARMで生成することができ、近い最小gレベルは約10-6 m·s-213です。油圧制御空気ピストンシリンダーシステムは、タワーの底部から上方にドロップカプセル(図1A)を起動するために使用されます。カプセルは自由落下の間にシリンダーシステムに置かれる容器で再び減速される。
  2. 光電気化学実験には2区画光電気化学セル(各細胞の充填体積:250mL)を用い、微小重力環境で2つの実験を並行して行います。各セルの前面は、作動電極を照用するための光学石英ガラス窓(直径:16mm)で構成されている必要があります(図1Bを参照)。
  3. 各セルに、HClO4(1 M)のPt対極とAg/AgCl(3 M KCl)基準電極を用いた光電気化学的測定用に3電極配置を採用します。表面張力を低減し、気泡の放出を高めるために電解質に1%(v/v)イソプロパノールを追加します。光学窓から各セルコンパートメントを照らすには、W-I白色光源を使用します。
    注意:濃厚な過塩素酸は強酸化剤です。酸化から形成される有機塩、金属塩、非有機塩は衝撃感受性であり、大きな火災や爆発の危険をもたらします。安全メガネ、手袋、保護ラボコートを着用してください。ヒュームフードの下で作業し、ベンチトップストレージ時間を最小限に抑えます。
  4. 気泡調査では、光学ミラーとビームスプリッター(例えば、前面にカラーカメラ、側面に単色カメラ、図1を参照)を介して各セルに2台のカメラを取り付け、実験の自由落下時の気泡の進化を記録します。ドロップごとに、記録されたデータをドロップカプセル内の統合基板コンピュータに保存します。フレームレートで単一の画像を記録します(例:25 fps(カラーカメラ)と60 fps(単色カメラ))。
  5. ドロップカプセルには複数のボードが装備されています(図1)。光電気化学のセットアップとカメラを光学ボードに取り付け、カプセルの中央のボードの1つに取り付けます。残りのボードは、ポテンショスタット、光源、シャッターコントロール、ボードコンピュータなどの追加機器の割賦に使用してください。カプセルの底板にバッテリー電源を取り付けて、フリーフォール時にセットアップに電力を供給します(図1)。
  6. 微小重力環境で制御および実行する必要がある実験ステップの自動ドロップシーケンスを記述します。プログラムは、各ドロップの前に開始する必要があります。微小重力環境に達すると、シーケンスは自動的にカメラ、照明源、電気化学実験を9.3sの間開始し、同時に空圧システムを使用して電解質に作動電極を浸漬する必要があります(図1、表1を参照)。
  7. 光電気化学的測定における試料上の光補助水素製造の調査(例えば、環状ボルタンメトリーおよびクロノアンペロメトリー)。
    1. カプセル内の2つのポテンショスタットによって電気化学的パラメータを制御する。J - V測定で最適な分解能を得るには、+0.25 V~-0.3 V対AgCl(3 M KCl)の電圧範囲を使用して、サイクリングボルタンメトリー実験で3回のスキャンサイクルを実行するために、218 mV/秒~235 mV/秒のスキャンレート(dE/dt)を使用します。 初期ポテンシャルである Ei = +0.2 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) と仕上げポテンシャルである Ef = +0.2 V vs AgCl (3 M KCl) を使用します。記録されたJ-V測定値を比較するには、各実験の2回目のスキャンサイクルを行って分析を行います。
    2. クロノアンペロメトリック測定では、生成された微小重力環境のタイムスケールを使用して、サンプルによって生成された光電流を記録します。-0.3 V ~ -0.6 V vs Ag/AgCl (3 M KCl) の電位範囲を適用して、生成された光電流を比較します。
  8. 各ドロップの終わりに、ドロップカプセルが再びゼロ速度に減速されるとき、ドロップシーケンスを使用して、サンプルを電解質およびカメラから取り外し、ポテンショスタットおよび照明源をオフにします。
  9. 減速容器からカプセルを取り出した後、カプセル保護シールドを取り外します。空気の安定からサンプルを取り出し、超純水ですすいで、穏やかな窒素フラックスの下で乾燥させます。光学および分光調査が行われるまで、N2雰囲気下に保管してください。
  10. 2つの細胞で電解質を交換し、新しいサンプルで細胞を装備する前にすべての器具の機能を確認し、別のドロップ実験のためにカプセルを準備します。

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Representative Results

HClにおけるサイクリング偏光による試料の連続した光電気化学的コンディショニングを用いてBr2/メタノール中のp-InP表面を30s用にエッチングすることは、文献において十分に確立され、議論されている(例えば、シュルテ&レワレンツ(2001)14、15))エッチング手順は、表面に残っている天然酸化物を除去し(図2)およびHClにおける電気化学的サイクリングは、さらに細胞性能の充填率の大幅な増加を引き起こし、+0.56Vから+0.69V15までのp-InPのフラットバンドシフトを伴う。さらに、HCl光カドージにおける環状偏光時の受動層形成は、無ノディック腐食からInP表面を保護する。コンディショニング手順の後、p-InP表面上の784 nmポリスチレンラテックスナノスフィアの自己集合は、Rh堆積プロセス中にリソグラフィマスクとして機能するコロイド粒子単層の形成に採用される(図3A,B)。図3Bは、PS球の除去後の光電極のAFM像を示す。SNLの適用は、金属、透明Rhフィルムの穴の均質な配列を有するナノサイズの2次元周期的Rh構造をもたらす。高解像度AFM画像(図3C)は、図3DのRh.断面プロファイルの認識可能な粒を有する六角形単位セル構造を示し、ロジウムメッシュが約10nmの高さのp-InP表面に均一に分布していることを示し、触媒層を形成する。高解像度TEMとFFTの組み合わせ解析を使用して、格子面の間隔、相互格子空間を表す回折点の距離を決定した。我々の計算は、格子面が2.17~2.18Åの順序であることを示し、堆積したロジウムの(111)立方構造を検証する(図4)。X線光電子分光法は、ナノ構造p-InP-Rh電極にInOx/POx層が含まれていることを明らかにし、128.4 eVでより大きなInP信号によって提供される証拠を示しています。これは、PS球の除去に起因するオープンInP領域のために驚くべきことではありません。ここで、InPは環境に直接さらされる(すなわち、空気および電解質(図5))。

微小重力環境は、1960年代から知られている水の電解に大きな影響を及ぼすことが示されており、気泡や滴の運動に対する重力低下の影響は十分に文書化されています(例えば、参考16参照)。特に水電分解成分を含む宇宙旅行の生命維持システムの開発の枠内で研究が行われている。

「暗い」実験における微小重力環境下での水電解の調査は、電極表面に近接して安定な気泡泡層形成をもたらし、それに伴うオーミック抵抗は、酸性およびアルカリ性電解質17、18、19の両方でフロス層の厚さに直線的に増加した。また、気泡の直径が大きくなり、気泡が2つの半細胞20,21を分離する膜に付着した。さらに、気泡誘発微小収束が微小重力環境における質量移動を支配することが実証され、電極表面への基板水の質量移動が、電極反応22によって通常の重力条件下で制御される水電解のプロセスを制御することが示唆された。

ここでSNLを介して製造されたナノ構造p-InP-Rh光電極を採用した場合、この問題を克服することができ、光電流電圧測定は、1 M HClO4で地上でテストされたサンプルとブレーメンドロップタワーで9.3sの微小重力環境で試験されたサンプルとの間に有意な差を示さない(図6A,B)6。J-V特性(図6A)は、さらに、ナノ構造試料のクロノアンペロメトリック測定(図6B)は、地上および微小重力環境においてほぼ同一である。開回路電位(VOC)の差は、前に示した電極の性能差に起因する。SNLによってp-InP表面に導入されたロジウム触媒「ホットスポット」は、光電極表面の異なるスポットで気泡の形成を可能にし、気泡の合体を防止し、気泡放出の収率を増加させます。電解質に1%(v/v)イソプロパノールを添加すると、電解質の表面張力がさらに低下し、電極表面からの有利なガス気泡剥離にもつながる。

Figure 1
図1:微小重力環境における電気化学実験の実験セットアップのスキーム画像は、搭載されたドロップカプセル(A)とドロップカプセルの第2プラットフォーム(B)における光電気化学的セットアップの詳細を示しています。カプセルには、フリーフォール時の電源用電池(プラットフォーム5)、実験制御用カプセル制御システム(プラットフォーム4)、2つのW-I光源とボードコンピュータ(プラットフォーム3、材料表参照)、4台のデジタルカメラ(プラットフォーム2)を含む光電気化学的セットアップ、および2つのポテンショスタットと2つのシャッターコントロールボックス(プラットフォーム1)が含まれています。光電気化学セットアップ(プラットフォーム2)の4つのデジタルカメラは、ビームスプリッタを介して各電気化学セルの前面から、ミラーを介して側面から光電極上のガスバブル形成を記録することができます。光電極は、セルの前のビームスプリッタを通して照らされた。空気持ち上がるランプを介して、光電極は微小重力条件に達する直前に電解質に浸漬される。この図は、Brinkert et al. (2018)6から変更されました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:p-InP表面のタッピングモードAFM地形画像は、表面修正ステップの前後に示す。パネルAは、改質手順前のp-InP表面、(B)は臭素/メタノール溶液中の表面をエッチングした後、および(C)試料をHClでコンディショニングした後(D)p-InPサンプル上のテラスの高さ分布のヒストグラム分析(青線)、臭素/メタノール(黄色線)でエッチングした後、HCl(赤線)でコンディショニングした後を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:影のナノsphereリソグラフィーの適用後のp-InP表面のタッピングモードAFM地形画像(材料表参照)(A)p-InP基板上に堆積したポリスチレン粒子層。(B,C)ロジウムの析出後の表面とポリスチレン粒子を2倍で除去する。(D)電極表面上の3つの異なるスポットの高さプロファイルを生成し、堆積したRhメッシュのさらなる特性評価を可能にした。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:異なる倍率でp-InP電極上の光電解ロジウム粒の高分解能TEM分析(材料表参照)。2D フーリエ変換画像は、対応する回折パターンを示し、緯格面の間隔は 2.2 Å(111)で、立方体構造に典型的です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:ナノ構造p-InP-Rh光電極のX線光電子スペクトル(A) 3D コア レベルで。(B)P 2p コアレベルと (C) Rh 3D コア レベル。線の下の色分けは、凡例に示すように、それぞれの構成を参照します。この図は、Brinkert et al. (2018)6から変更されました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:微小重力環境における光電気化学実験の結果(A)地上(1g、赤色)および微小重力環境(10-6g、青)におけるナノ構造p-In-Rh光電極のJ-V測定は、W-Iランプで70mW/cm2照明で電解質に1%(v/v)イソプロパノールを添加した1M HClO4で行う。地上および微小重力条件におけるナノ構造試料のVOCの違いは、前に示した6のように光電極の性能差の影響を受ける。(B)地上(赤)および微小重力環境(10-6g、青)におけるナノ構造p-InP-Rh光電極のクロノアンペロメトリック測定は、W-Iランプで70mW/cm2照明で電解質に1%(v/v)イソプロパノールを添加した1M HClO4に含まれています。適用される電位は-0.09 V対RHEに設定された。測定終了時の信号対雑音比の増加は、9.3s後のドロップカプセルの減速によるものです。

表1:ブレーメンドロップタワーにおける微小重力環境における光電気化学水素製造用水素製造のための詳細な実験シーケンスこのテーブルは、Brinkert et al. (2018)6から変更されました。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

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Discussion

光電極の調製のためには、エッチングとコンディショニング手順の間の酸素暴露を最小限に抑え、窒素で約10〜15分間使用する前に0.5 M HClをパージすることが重要です。サンプルが調整されると、それらは数時間15 mL円錐管内の窒素雰囲気下に保存され、ポリスチレン粒子マスクのサンプル輸送および/または調製時間を可能にする。電極基板上のPS球の均質な配置を達成するためには、連続した反射膜として観察できる水面上にPS球の連続マスクを形成することが重要である。マスクが形成されると、連続したロジウム光電極位置合わせ工程は2〜3時間に従うべきである。電極上のPS球の均質な単層のための最良の結果はピペットによって慎重に水を除去するのではなく、遅い水蒸発によって達成される。マスクは数日間電極表面で安定であるが、ロジウムの直接光電極位置合わせが推奨される。PSマスクを有する電極を水性RhCl3溶液に入れて直前に配置し、PS球の溶解を防ぐために堆積後に除去することが重要である。SNLの適用と電極表面からのPS球の除去に起因する光電極から残留表面酸化物を除去するためには、上記と同じプロトコルに従って、ポリスチレン粒子の除去後約10サイクルHClでサイクル偏光の工程を繰り返すことをお勧めします。

自由落下の9.3sの間に光電気化学的測定のために、いくつかの側面を考慮する必要があります。実験のタイミングは非常に重要であり、プログラムされたドロップシーケンスは、実験的なセットアップを伴うドロップカプセルがドロップタワーに移される前に、地上の状態で慎重にテストされなければなりません。カプセルを閉じる前に、最終的な機器チェックを行い、ポテンショスタットと光源がオンになっており、追加のネジと工具がカプセルから取り外されていることを確認してください。カプセル内の非セキュリティで保護されたアイテムは、自由落下時に実験的なセットアップを簡単に破壊することができます。

ドロップタワー内の光電流電圧挙動の測定のための重要なパラメータは、カメラレンズに調整する必要がある光強度です:ガスバブル進化挙動がセルに取り付けられたカメラを介して同時に記録される場合、>70 mW/cm2の直接照明は光電気化学セルの前面からガス気泡を記録しません。入射光はレンズをブラインドします。したがって、フリーフォール中の電極画像は、光強度 ≤ 70 mW/cm2でセルの前面から記録および評価することしかできません。9.3 sの実験時間はまた、光電気化学的測定の設計で考慮されなければならない;J -V測定では、218 mV/s~235 mV/sのスキャンレート(dE/dt)を使用して、サイクリングボルタンメトリー実験で約3サイクルのスキャンサイクルを可能にしました。記録されたJ-V測定値を比較するには、各実験の2回目のスキャンサイクルを分析に取ることをお勧めします。

ブレーメンドロップタワーにおける10-6gの優れた微小重力品質を考えると、航空機の追加の機械的な動き(すなわち、gジッタ)21に起因する放物線飛行における水電解実験においてより困難であることが判明したビデオ記録における気泡形成の解析が可能である。フリーフライト中のデータ保存にボードコンピュータを使用することは、十分な代替手段であることが示されています(材料表を参照)。

結論として、影のナノsphereリソグラフィーは、半導体表面に直接電気触媒ナノ構造を導入するための簡単で貴重なツールです - 光吸収体表面上の触媒活性部位のサイズを変化させるために、様々なポリスチレン粒子サイズを採用することができます。(光)電極付けや電気触媒の蒸発などの異なる電気触媒堆積手順は、触媒形状の変動を可能にする。光電極表面に電気触媒活性「ホットスポット」を形成することにより、微小重力環境下で光アシスト水素を効率的に生成する装置の設計が可能となる。微小重力環境における長期的な研究は、宇宙環境における適用のためのデバイスの安定性を調査し、最適化するために依然として必要であるが、p-InPは、TiO2保護層の導入時に地上条件下で安定した光カソード材料であることが既に示されており、材料23の光食性を防止する。

応用宇宙技術センターのブレーメンドロップタワーや微小重力(ZARM)などのドロップタワー施設は、自由落下時の光電気触媒性能の調査を可能にする優れた微小重力設備であることを示しています。彼らは9.3 sの時間範囲の高い微小重力の質の国際宇宙ステーションに容易なアクセス、低コストの代替を提供する。ここで報告された実験セットは、長時間の宇宙旅行や地上のアプリケーションのための生命維持ハードウェアを開発し、最適化するために、無援助の水分割とCO2減少重力環境のためのさらなる光電気化学的半細胞反応およびデバイスの研究のための理想的な出発点を提供する。

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Disclosures

著者たちは何も開示する必要はない。

Acknowledgments

K.B.は、ドイツ国立科学アカデミーレオポルディーナ、助成金LPDS 2016-06と欧州宇宙機関のフェローシッププログラムからの資金を認めています。さらに、レオポルド・サマーラー博士、アドバンス・コンセプト・チーム、アラン・ダウソン、ジャック・ファン・ルーン博士、ガボール・ミラシン博士、ロバート・リンドナー博士(ESTEC)、ロバート・ヤン・ヌーダム(Notese)、ハリー・B・グレイ教授(カルテック)の大きなサポートに感謝したいと思います。M.H.R.はネイサン・S・ルイス教授(カルテック)からの寛大な支援に感謝しています。K.B.およびM.H.R.は、カリフォルニア工科大学ベックマン研究所と分子材料研究センターからの支援を認めています。PhotoEChemチームは、プロジェクトNo.50WM1848のドイツ航空宇宙センター(ドイツ・ツェントルム・フュールフト・ウント・ラウムファートe.V.)からの資金提供を大いに認めています。さらに、広東省の革新的・起業家チームプログラム「光電子デバイスにおける光管理用プラズモニックナノマテリアルと量子ドット」(No. 2016ZT06C517)からの資金提供を認めています。さらに、著者チームは、ディーター・ビショフ、トルステン・ルッツ、マティアス・マイヤー、フレッド・オエトケン、ヤン・シーマース、マーティン・カスティージョ博士、マグダレナ・トード、ソーベン・ケーネマン博士と共にZARMチームの努力と支援を大いに認めています。また、福中康弘教授(安田大学)、松島久義教授(北海道大学)、スロボダン・ミトロヴィッチ博士(ラムリサーチ)との議論の啓発にも感謝しています。

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

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References

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