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
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。
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、浮力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。
Protocol
Representative Results
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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