Metodi sperimentali per una produzione efficiente di idrogeno solare nell'ambiente di microgravità
Summary
Recentemente è stata realizzata un’efficiente produzione di idrogeno solare su sistemi semiconduttori-elettrocatalizzatori funzionali in un ambiente fotoelettrochimico a semicellula in microgravità presso la Torre di Caduta di Brema. Qui, riportiamo le procedure sperimentali per la produzione del dispositivo semiconduttore-elettrocatalizzatore, i dettagli del set-up sperimentale nella capsula di goccia e la sequenza sperimentale durante la caduta libera.
Abstract
I voli spaziali a lungo termine e le piattaforme di ricerca cis-lunar richiedono un hardware di supporto vitale sostenibile e leggero che può essere impiegato in modo affidabile al di fuori dell’atmosfera terrestre. I cosiddetti dispositivi “solar i combustibili”, attualmente sviluppati per applicazioni terrestri nella ricerca di un’economia energetica sostenibile sulla Terra, forniscono promettenti sistemi alternativi alle unità di rivitalizzazione dell’aria esistenti impiegate nello spazio internazionale (ISS) attraverso la scissione dell’acqua fotoelettrochimica e la produzione di idrogeno. Un ostacolo per l’elettrolisi dell’acqua (foto) in ambienti a gravità ridotta è l’assenza di galleggiamento e il conseguente rilascio di bolle di gas ostacolato dalla superficie dell’elettrodo. Ciò causa la formazione di strati di schiuma di bolle di gas in prossimità della superficie dell’elettrodo, portando ad un aumento della resistenza ohmica e alla perdita di efficienza cellulare a causa della riduzione del trasferimento di massa di substrati e prodotti da e verso l’elettrodo. Recentemente, abbiamo dimostrato un’efficiente produzione di idrogeno solare in ambiente di microgravità, utilizzando un sistema semiconduttore-elettrocatalizzatore integrato con fospohide indium di tipo p come assorbitore di luce e elettrocatalizzatore del rodio. Nanostructururing dell’elettrocatalizzatore utilizzando litografia della nanosfera ombra e creando così “punti caldi” catalitici sulla superficie del fotoelettrodi, potremmo superare le limitazioni di coalescenza delle bolle di gas e di trasferimento di massa e dimostrato idrogeno efficiente produzione ad alta densità di corrente nella gravitazione ridotta. Qui, i dettagli sperimentali sono descritti per i preparati vinti di questi dispositivi nanostrutturati e più avanti, la procedura per i loro test in ambiente di microgravità, realizzato presso la Torre di caduta di Brema durante 9.3 s di caduta libera.
Introduction
La nostra atmosfera sulla Terra si forma attraverso la fotosintesi ossigena, un processo di 2,3 miliardi di anni che converte l’energia solare in idrocarburi ricchi di energia, rilasciando ossigeno come sottoprodotto e utilizzando acqua e CO2 come substrati. Attualmente, i sistemi fotosintetici artificiali che seguono il concetto di energico schema di catalisi e trasferimento di carica nella fotosintesi naturale sono realizzati in sistemi semiconduttori-elettrocatalisti, mostrando finora un’efficienza di conversione da solare a idrogeno del 19 %1,2,3. In questi sistemi, i materiali semiconduttori sono impiegati come assorbitori di luce che sono rivestiti con uno strato sottile e trasparente di elettrocatalizzatori4 . L’intensa ricerca in questo campo è promossa dalla ricerca globale di sistemi di energia rinnovabile con idrogeno e idrocarburi a catena lunga che creano ottimi candidati per un approvvigionamento di combustibile alternativo. Ostacoli analoghi si incontrano anche nelle missioni spaziali a lungo termine, dove non è possibile un rifornimento di risorse dalla Terra. È necessario un hardware di supporto vitale affidabile, che impieghi un’efficiente unità di rivitalizzazione dell’aria che fornisca circa 310 kg di ossigeno per membro dell’equipaggio all’anno, senza tenere conto delle attività extraveicolari5. Un efficiente dispositivo di scissione dell’acqua solare, in grado di produrre ossigeno e idrogeno o ridurre l’anidride carbonica assistita dal sole e in un sistema monolitico fornirebbe un percorso alternativo e leggero alle tecnologie attualmente impiegate sull’ISS: l’unità di rivitalizzazione dell’aria è costituita da un sistema separato con un elettrolinizzatore alcalino, un concentratore di anidride carbonica amine solido e un reattore Sabatier per la riduzione di CO2.
Senza precedenti, abbiamo realizzato un’efficiente produzione di idrogeno solare in ambiente di microgravità, fornita da un 9,3 s durante la caduta libera presso la Brema Drop Tower (ARM, Germania)6. Utilizzando il fospogoggo di indio di tipo p come assorbitore di luce semiconduttore7,8 rivestito con un elettrocatalizzatore roditore nanostrutturato, abbiamo superato le limitazioni del substrato e del trasferimento di massa del prodotto da e verso la superficie del fotoelettrodo, che è un ostacolo in ambienti a gravità ridotta a causa dell’assenza di galleggiamento9,10. L’applicazione della litografia della nanosfera ombra11,12 direttamente sulla superficie del fotoelettrodo ha permesso la formazione di “punti caldi” catalitici del rodio, che impedivano la coalescenza delle bolle di gas di idrogeno e la formazione di uno strato di schiuma in prossimità della superficie dell’elettrodo.
Qui, forniamo dettagli sperimentali della preparazione del fotoelettrodo p-InP tra cui l’incisione superficiale e il condizionamento, seguita dall’applicazione della litografia della nanosfera ombra sulla superficie dell’elettrodo e dalla fotoelettrodiposizione del rodio nanoparticelle attraverso le sfere di polistirolo. Inoltre, viene descritto il set-up sperimentale nella capsula di goccia presso la Brema Drop Tower e vengono forniti i dettagli della sequenza sperimentale durante le 9.3 s di caduta libera. La rata del campione e la manipolazione prima e dopo ogni goccia sono delineate, così come la preparazione della capsula goccia e le sue attrezzature per operare fonti di illuminazione, potentiostati, controlli dell’otturatore e videocamere al comando.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per la preparazione di fotoelettrodi, è importante ridurre al minimo l’esposizione all’ossigeno tra la procedura di incisione e condizionamento e eliminare il HCl 0,5 M prima dell’uso per circa 10 – 15 min con azoto. Una volta condizionati, i campioni possono essere conservati nell’atmosfera di azoto in tubi conici da 15 mL per alcune ore per consentire il trasporto e/o il tempo di preparazione dei campioni delle maschere di particelle di polistirolo. Al fine di ottenere una disposizione omogenea delle sfere di PS sul s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. riconosce il finanziamento del programma di borse di studio dell’Accademia Nazionale delle Scienze tedesche Leopoldina, della sovvenzione di LPDS 2016-06 e dell’Agenzia Spaziale Europea. Inoltre, vorrebbe ringraziare il Dr. Leopold Summerer, l’Advanced Concepts Team, Alan Dowson, il Dr. Jack van Loon, il Dr. Gabor Milassin e il Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) e il professor Harry B. Gray (Caltech) per il loro grande sostegno. M.H.R. è grato per il generoso sostegno del professor Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. e M.H.R. riconoscono il sostegno del Beckman Institute del California Institute of Technology e del Molecular Materials Research Center. Il Team PhotoEChem riconosce molto i finanziamenti del Centro Aerospaziale tedesco (Deutsches s’arco di Luft- und Raumfahrt e.V.) per il progetto n. 50WM1848. Inoltre, M.G. riconosce il finanziamento del Guangdong Innovative and Entrepreneurial Team Program intitolato “Plasmonic Nanomaterials and Quantum Dots for Light Management in Optoelectronic Devices” (n. 2016-T06C517). Inoltre, il team dell’autore riconosce molto lo sforzo e il supporto del team di zom con Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode e Dr. Thorben Kànemann. È anche grato per le discussioni illuminanti con il professor Yasuhiro Fukunaka (Università di Waseda), il prof.
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).
