ניסיוני שיטות ייצור יעיל מימן סולארית בסביבה מיקרוגרביטציה
Summary
הפקה יעילה סולארית מימן התממשו לאחרונה על פונקציונליזציה מערכות מוליכים למחצה-electrocatalyst בחצי תא האלקטרוכימי בסביבה המיקרוגרוטציה במגדל ברמן Drop. כאן, אנו מדווחים על ההליכים הניסיוניים לייצור מכשיר מוליך למחצה-electrocatalyst, פרטים של הגדרת ניסיוני בקפסולה ירידה ואת הרצף ניסיוני בסתיו חופשי.
Abstract
טיסות חלל ארוכות טווח ופלטפורמות מחקר של cis-ירחי דורשות חומרה בת קיימא ותמיכה בחיים, אשר ניתן לעבוד באופן אמין מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ. מה שנקרא “דלק סולארי” התקנים, שפותחה כיום עבור יישומים ארציים בחיפוש אחר המימוש של כלכלת אנרגיה בת קיימא על פני כדור הארץ, לספק מערכות חלופיות מבטיח יחידות התחדשות האוויר הקיים המועסקים על החלל הבינלאומי תחנת הרכבת (ISS) דרך הפרדת מים וייצור מימן אלקטרוכימי. מכשול אחד עבור מים (צילום-) אלקטרוליזה בסביבות הכבידה מופחתת היא העדר ציפה והוא נזקים תוצאתיים, בועת גז מפריע לשחרר מן המשטח אלקטרודה. זה גורם היווצרות של בועת גז השכבות בסמיכות למשטח האלקטרודה, המובילה לעלייה בהתנגדות ohmic והפסד של יעילות התא בשל העברה המונית מופחתת של מצעים ומוצרים אל ומתוך האלקטרודה. לאחרונה, הדגמנו ייצור יעיל של מימן סולארית בסביבה מיקרוכבידה, באמצעות מערכת מוליך למחצה משולב electrocatalyst עם הודו p סוג האינדינום זרחן כמו בולם באור וזרז רודיום. על ידי ננו בנייה את הזרז electrocatalyst באמצעות ליתופי ננו כדור וצל ובכך ליצור קטליטי ‘ נקודות חמות ‘ על פני השטח פוטואלקטרודה, אנחנו יכולים להתגבר על בועות גז מוגבלת ומגבלות העברה המונית הפגינו מימן יעיל ייצור בצפיפויות שוטפות גבוהות בכבידה מופחתת. כאן, הפרטים הניסיוניים מתוארים עבור ההכנות של אלה התקנים ננו מובנים ועוד, ההליך עבור בדיקות שלהם בסביבה מיקרוגרוטציה, הבינו במגדל הירידה ברמן במהלך 9.3 s של נפילה חופשית.
Introduction
האטמוספירה שלנו על פני כדור הארץ נוצרת באמצעות הפוטוסינתזה האוקסיגניים, תהליך בן 2,300,000,000 שנה המרת אנרגיה סולארית לתוך האנרגיה פחמימנים עשיר, שחרור חמצן כמוצר על ידי ושימוש במים ו-CO2 כמו מצעים. כיום, מערכות פוטוסינטטיות מלאכותיות בעקבות הרעיון של ערכת Z האנרגטית של זרז והעברת מטען בפוטוסינתזה הטבעית ממומשת במערכות מוליכים למחצה-אלקטרוזרז, המציגה עד כה את יעילות ההמרה של השמש למימן של 19%1,2,3. במערכות אלה, חומרים מוליכים למחצה מועסקים כסופגי אור אשר מצופים בשכבה דקה ושקופה של אלקטרוזרזים מסוג4. מחקר אינטנסיבי בתחום זה מקודמת על ידי החיפוש הגלובלי עבור מערכות אנרגיה מתחדשת עם מימן ו-פחמימנים שרשרת של הרבה לעשות מועמדים מצוינים עבור אספקת דלק חלופית. מכשולים דומים מתמודדים גם על משימות מרחב לטווח ארוך, שם אספקה של משאבים מכדור הארץ אינו אפשרי. דרושה חומרה אמינה לתמיכה בחיים, תוך שימוש ביחידת חידוש אוויר יעילה המספקת כ-310 ק ג של חמצן לכל חבר צוות בשנה, לא חשבונאות לפעילויות חוץ-לרכב5. מכשיר יעיל במים השמש הפיצול, מסוגל לייצר חמצן ומימן או להפחית פחמן דו חמצני סולארית בסיוע במערכת מונוליטי תספק חלופה, מסלול קל יותר לטכנולוגיות מועסקים כיום ב-ISS: יחידת התחדשות האוויר מורכבת מערכת מופרדים עם אלקטרולייזר אלקליין, מרכז אמין פחמן דו-חמצני מוצק הכורsabatier ה
Unprecedentedly, הבנו יעיל סולרי מימן ייצור בסביבה מיקרו כבידה, שסופקו על ידי 9.3 s במהלך חופשי לרדת במגדל מגדל ברמן (ZARM, גרמניה)6. שימוש ב-p-type האינדינום זרחן כוליכים האור בולם7,8 מצופה עם מובנית מוגבלת של רודיום, התגברו על המצע והמוצר מגבלות העברת המסה אל וממשטח פוטואלקטרודה, אשר מהווה מכשול בסביבות כבידה מופחתת בשל העדר ציפה9,10. היישום של הדפס ננוספירה של צללים11,12 ישירות על פני השטח של פוטואלקטרודה אפשרה היווצרות של רודיום קטליטי “נקודות חמות”, אשר מנעו בועת גז מימן בועה והיווצרות של שכבה פרוטית בסמיכות של משטח אלקטרודה.
בזאת, אנו מספקים פרטים ניסיוניים של p-InP הכנה פוטואלקטרודה כולל חריטה על פני השטח ומיזוג, ואחריו יישום של הדפס ננו ליתוספירה על משטח האלקטרודה ואת ההצהרה פוטואלקטו של רודיום ננו-חלקיקים דרך כדורי הפוליסטירן. יתרה מזאת, ההגדרה הניסיונית בקפסולת השחרור במגדל השחרור של ברמן מתוארת ומפרטת את הרצף הנסיוני במהלך 9.3 הנפילות החופשיות. התשלום לדוגמה וטיפול לפני ואחרי כל טיפה מתוארים כמו גם הכנת קפסולת השחרור והציוד שלה כדי להפעיל מקורות תאורה, פוטנציאל, בקרות תריס ומצלמות וידאו על הפקודה.
Protocol
Representative Results
Discussion
להכנת פוטואלקטרודות, חשוב למזער את החשיפה לחמצן בין הליך החריטה והמיזוג כדי לטהר את הHCl 0.5 M לפני השימוש כ 10-15 דקות עם חנקן. ברגע שהדגימות ממוזגות, הן יכולות להיות מאוחסנות תחת אווירת חנקן בצינורות בעלי 15 מ ל במשך מספר שעות כדי לאפשר הובלה לדוגמה ו/או זמן הכנה של מסיכות הקלקר. כדי להשיג הסדר הו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. מכיר מימון מתוכנית המלגות של האקדמיה הלאומית הגרמנית למדעי המדינה, הענק LPDS 2016-06 ו סוכנות החלל האירופית. יתרה מזאת, היא רוצה להודות לד ר ליאופולד סאמנר, צוות המושגים המתקדמים, אלן דפסון, ד ר ג’ק ואן-בילט, ד ר Gabor מילסין וד ר רוברט ינדנר (ESTEC), רוביברט-ג’אן נורדם ופרופ ‘ הארי ב. גריי (קלטק) על תמיכתם הגדולה. M.H.R. אסירת תודה על תמיכה נדיבה של פרופ ‘ נתן ס. לואיס (קלטק). K.B. ו-M.H.R. לתמוך תמיכה מהמכון בקמן של המכון הטכנולוגי של קליפורניה ומרכז המחקר חומרים מולקולריים. צוות פוטוכימיה מכיר במידה רבה את המימון של המרכז הגרמני לחקר החלל (Deutsches זנטרום-ולין Raumfahrt e.V.) לפרויקט מס ‘ 50WM1848. יתרה מזאת, מ מאשר מימון של תוכנית הצוות החדשנית של גואנג-דונג ויזמית בשם “הננו-חומרים ונקודות הקוונטים לניהול אור במכשירים אלקטרואופטיקה” (no. 2016ZT06C517). יתר על כן, צוות המחבר מכיר במידה רבה את המאמץ והתמיכה של צוות ZARM עם דיטר Bischoff, טורסטן לוץ, מתיאס מאייר, פרד Oetken, יאן Siemers, ד ר מרטין קסטילו, מגדלנה Thode ו ד ר. ת’ורבן קוצ’אן. כמו כן, הוא אסיר תודה לשיחות מאקריות עם פרופ ‘ יסוהירו פוקונאקה (אוניברסיטת ואסדה), פרופ ‘ היסיושי מאצאשימה (אונ’ הוקקאידו) וד ר סלובודן מיטורביץ ‘ (לאם מחקר).
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
- May, M. M., Lewerenz, H. -. J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure. Nature Communications. 6, 8286 (2015).
- Young, J. L., Steiner, M. A., Döscher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G. Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures. Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).
- Cheng, W. H., Richter, M. H., May, M. M., Ohlmann, J., Lackner, D., Dimroth, F., et al. Monolithic Photoelectrochemical Device for 19% Direct Water Splitting. ACS Energy Letters. 3, 1795-1800 (2018).
- Lewerenz, H. -. J., Heine, C., Skorupska, K., Szabo, N., Hannappel, T., Vo-Dinh, T., Campbell, S. H., Klemm, H. W., Munoz, A. G. Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems. Energy & Environmental Science. 3, 748-761 (2010).
- Raatschen, W. Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS. Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).
- Brinkert, K., Richter, M., Akay, &. #. 2. 1. 4. ;., Liedtke, J., Gierisig, M., Fountaine, K. T., et al. Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment. Nature Communications. 9, 2527 (2018).
- Heller, A., Vadimsky, R. G. Efficient solar to chemical conversion: 12 % efficient photoassisted electrolysis in the p-type InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh) cell. Physical Review Letters. 46, 1153-1155 (1981).
- Muñoz, A. G., Heine, C., Lublow, M., Klemm, H. W., Szabó, N., Hannappel, T., et al. Photoelectrochemical conditioning of MOVPE p-InP films for light-induced hydrogen evolution: chemical, electronic and optical properties. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2, Q51-Q58 (2013).
- Sakurai, M., Sone, Y., Nishida, T., Matsushima, H., Fukunaka, Y. Fundamental Study of Water Electrolysis for Life Support System in Space. Electrochimica Acta. 100, 350-357 (2013).
- Sakuma, G., Fukunaka, Y., Matsushima, H. Nucleation and Growth of Electrolytic Gas Bubbles under Microgravity. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (2014), 7638-7645 (2014).
- Patoka, P., Giersig, M. Self-Assembly of Latex Particles for the Creation of Nanostructures with Tunable Plasmonic Properties. Journal of Materials Chemistry. 21, 16783-16796 (2011).
- Jensen, T. R., Malinsky, M. D., Haynes, C. L., Van Duyne, R. P. Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver. Journal of Physical Chemistry B. 104, 10549-10556 (2000).
- Selig, H., Dittus, H., Lämmerzahl, C. Drop Tower Microgravity Improvement Towards the Nano-g Level for the Microscope Payload Tests. Microgravity Science and Technology. 22, 539-549 (2010).
- Lewerenz, H. J., Schulte, K. H. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes: II. Photoelectron Spectroscopy. Electrochimica Acta. 47 (16), 2639-2651 (2002).
- Schulte, K. H., Lewerenz, H. J. Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes. I. The Modification Procedure. Electrochimica Acta. 47 (16), 2633-2638 (2002).
- Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. . The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. , (2001).
- Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity. Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).
- Kiuchi, D., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Kuribayashi, K. Ohmic Resistance Measurement of Bubble Froth Layer in Water Electrolysis under Microgravity. Journal of the Electrochemical Society. 153 (8), 138-143 (2006).
- Matsushima, H., Nishida, T., Konishi, Y., Fukunaka, Y., Ito, Y., Kuribayashi, K. Water Electrolysis under Microgravity Part 1. Experimental Technique. Electrochimica Acta. 48, 4119-4125 (2003).
- Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field. Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).
- Kaneko, H., Tanaka, K., Iwasaki, A., Abe, Y., Negishi, A., Water, K. a. m. i. m. o. t. o. M. Water Electrolysis under Microgravity Condition by Parabolic flight. Electrochimica Acta. 38, 729-733 (1993).
- Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions. Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).
- Lee, H. M., Takei, K., Zhang, J., Kapadia, R., Zheng, M., Chen, Y. -. Z., Nah, J., Matthews, T. S., Chueh, Y. -. L., Ager, J. -. W., Javey, A. p‐Type InP Nanopillar Photocathodes for Efficient Solar‐Driven Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition. 51 (43), 10760-10764 (2012).
