Experimentelle Methoden zur effizienten Solarhydrogenproduktion in der Mikrogravitationsumgebung
Summary
Die effiziente Solar-Wasserstoff-Produktion wurde kürzlich auf funktionalisierten Halbleiter-Elektrokatalysator-Systemen in einer photoelektrochemischen Halbzelle in der Schwerelosigkeit am Bremer Drop Tower realisiert. Hier berichten wir über die experimentellen Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Elektrokatalysator-Geräts, Details des Versuchsaufbaus in der Tropfenkapsel und die experimentelle Sequenz im freien Fall.
Abstract
Langfristige Weltraumflüge und cis-lunar Forschungsplattformen erfordern eine nachhaltige und leichte, lebenserhaltende Hardware, die außerhalb der Erdatmosphäre zuverlässig eingesetzt werden kann. Sogenannte “Solarfuel”-Geräte, die derzeit für terrestrische Anwendungen entwickelt werden, um eine nachhaltige Energiewirtschaft auf der Erde zu realisieren, bieten vielversprechende alternative Systeme zu bestehenden Luftrevitalisierungseinheiten, die auf dem Internationalen Weltraum eingesetzt werden. Station (ISS) durch photoelektrochemische Wasserspaltung und Wasserstoffproduktion. Ein Hindernis für die Wasserelektrolyse in reduzierten Schwerkraftumgebungen ist das Fehlen von Auftrieb und die daraus resultierende, behinderte Gasblasenfreisetzung von der Elektrodenoberfläche. Dies führt zur Bildung von Gasblasenschaumschichten in der Nähe der Elektrodenoberfläche, was zu einer Erhöhung der ohmschen Beständigkeit und Zelleffizienzverlust durch reduzierten Massentransfer von Substraten und Produkten zur und von der Elektrode führt. Kürzlich haben wir eine effiziente Solarhydrogenproduktion in der Schwerelosigkeit demonstriert, indem wir ein integriertes Halbleiter-Elektrokatalysator-System mit p-Typ-Indiumphosphid als Lichtabsorber und einem Rhodium-Elektrokatalysator verwendet haben. Durch die Nanostrukturierung des Elektrokatalysators mittels Schatten-Nanosphären-Lithographie und damit der Schaffung katalytischer “Hotspots” auf der Photoelektrodenoberfläche konnten wir Gasblasenkoaleszenz und Massentransferbeschränkungen überwinden und effizienten Wasserstoff nachweisen. Produktion bei hoher Stromdichte in reduzierter Gravitation. Hier werden die experimentellen Details für die Präparate dieser nanostrukturierten Geräte und weiter das Verfahren für deren Tests in der Schwerelosigkeit beschrieben, das im Bremer Drop Tower im freien Fall von 9,3 s realisiert wurde.
Introduction
Unsere Atmosphäre auf der Erde wird durch sauerstoffhaltige Photosynthese gebildet, ein 2,3 Milliarden Jahre altes Verfahren, das Sonnenenergie in energiereiche Kohlenwasserstoffe umwandelt, Sauerstoff als Nebenprodukt freisetzt und Wasser undCO2 als Substrate verwendet. Derzeit werden künstliche photosynthetische Systeme nach dem Konzept des energetischen Z-Schemas katalyse und Ladungsübertragung in der natürlichen Photosynthese in Halbleiter-Elektrokatalysator-Systemen realisiert, die bisher eine Solar-Wasserstoff-Umwandlungseffizienz von 19 %1,2,3zeigen. In diesen Systemen werden Halbleitermaterialien als Lichtabsorber eingesetzt, die mit einer dünnen, transparenten Schicht von Elektrokatalysatoren4beschichtet sind. Intensive Forschung auf diesem Gebiet wird durch das weltweite Streben nach erneuerbaren Energiesystemen mit Wasserstoff und langkettigen Kohlenwasserstoffen gefördert, die hervorragende Kandidaten für eine alternative Brennstoffversorgung sind. Ähnliche Hindernisse gibt es auch bei langfristigen Weltraummissionen, bei denen eine Nachschubvon Ressourcen von der Erde nicht möglich ist. Eine zuverlässige, lebenserhaltende Hardware ist erforderlich, die eine effiziente Luftbelebungseinheit mit etwa 310 kg Sauerstoff pro Besatzungsmitglied und Jahr bereitstellt, ohne extravehiculare Aktivitäten5. Eine effiziente Solar-Wasserspaltungsvorrichtung, die in der Lage ist, Sauerstoff und Wasserstoff zu produzieren oder Kohlendioxid solarunterstützt zu reduzieren und in einem monolithischen System einen alternativen, leichteren Weg zu derzeit eingesetzten Technologien auf der ISS zu bieten: Die Luftrevitalisierungseinheit besteht aus einem abgetrennten System mit einem alkalischen Elektrolysator, einem festen Aminkohlendioxidkonzentrator und einem Sabatier-Reaktor zur Reduzierung vonCO2.
So noch nie haben wir eine effiziente Solar-Wasserstoff-Produktion in der Schwerelosigkeit realisiert, die im freien Fall am Bremer Drop Tower (ZARM, Deutschland)6von einem 9,3 s im freien Fall bereitgestellt wird. Mit p-Typ Indiumphosphid als halbleitender Lichtabsorber7,8 beschichtet mit einem nanostrukturierten Rhodium-Elektrokatalysator, überwanden wir Substrat- und Produktmassenübertragungsbeschränkungen zur und von der Photoelektrodenoberfläche, was ein Hindernis in reduzierten Schwerkraftumgebungen aufgrund des Fehlens von Auftrieb9,10ist. Die Anwendung der Schatten-Nanosphären-Lithographie11,12 direkt auf der Photoelektrodenoberfläche ermöglichte die Bildung von rhodiumkatalytischen “Hotspots”, die die Koaleszenz von Wasserstoffgasblasen und die Bildung einer Schaumschicht in der Nähe der Elektrodenoberfläche verhinderten.
Hierin bieten wir experimentelle Details der p-InP-Photoelektrodenvorbereitung einschließlich Oberflächenätzung und -konditionierung, gefolgt von der Anwendung der Schatten-Nanosphärenlithographie auf der Elektrodenoberfläche und der Photoelektrodenposition von Rhodium Nanopartikel durch die Polystyrolkugeln. Darüber hinaus wird der Versuchsaufbau in der Tropfenkapsel am Bremer Drop Tower beschrieben und Details der Versuchssequenz während des 9,3 s freien Falls zur Verfügung gestellt. Beispiel-Raten und Handhabung vor und nach jedem Tropfen werden skizziert sowie die Vorbereitung der Tropfenkapsel und ihrer Ausrüstung, um Beleuchtungsquellen, Potentiostaten, Verschlussregler und Videokameras auf Befehl zu betreiben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Für die Herstellung von Photoelektroden ist es wichtig, die Sauerstoffbelastung zwischen dem Ätz- und Konditionierungsverfahren zu minimieren und die 0,5 M HCl vor gebrauchen für ca. 10 – 15 min mit Stickstoff zu reinigen. Sobald die Proben konditioniert sind, können sie in 15 ml konischen Rohren für einige Stunden unter Stickstoffatmosphäre gelagert werden, um probentransportund/oder Vorbereitungszeit der Polystyrol-Partikelmasken zu ermöglichen. Um eine homogene Anordnung der PS-Kugeln auf dem Elektrodensubstrat…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. würdigt die Förderung aus dem Stipendienprogramm der Deutschen Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, stipendium LPDS 2016-06 und der Europäischen Weltraumorganisation. Darüber hinaus bedankt sie sich bei Dr. Leopold Summerer, dem Advanced Concepts Team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin und Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) und Prof. Harry B. Gray (Caltech) für ihre große Unterstützung. M.H.R. ist dankbar für die großzügige Unterstützung durch Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. und M.H.R. würdigen die Unterstützung des Beckman Institute des California Institute of Technology und des Molecular Materials Research Center. Das PhotoEChem Team würdigt die Förderung des Projekts Nr. 50WM1848 durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. sehr. Darüber hinaus würdigt M.G. die Finanzierung aus dem Guangdong Innovative and Entrepreneurial Team Program mit dem Titel “Plasmonic Nanomaterials and Quantum Dots for Light Management in Optoelectronic Devices” (Nr. 2016ZT06C517). Darüber hinaus würdigt das Autorenteam den Einsatz und die Unterstützung des ZARM-Teams mit Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode und Dr. Thorben Könemann. Es ist auch dankbar für aufschlussreiche Gespräche mit Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda Universität), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Universität) und Dr. Slobodan Mitrovic (Lam Research).
Materials
| 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
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