Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде
Summary
Эффективное производство солнечно-водородного топлива недавно было реализовано на функционализированных полупроводниковых электрокатализаторских системах в фотоэлектрохимической полуэлементе в микрогравитационной среде в Бременском дроп-тауэр. Здесь мы сообщаем об экспериментальных процедурах производства полупроводниково-электрокатализаторского устройства, подробностях экспериментальной установки в капсуле падения и экспериментальной последовательности во время свободного падения.
Abstract
Долгосрочные космические полеты и научно-исследовательские платформы cis-lunar нуждаются в устойчивом и легком аппаратном обеспечении жизнеобеспечения, которое может быть надежно использовано за пределами атмосферы Земли. Так называемые устройства «солнечного топлива», разработанные в настоящее время для наземного применения в поисках устойчивой энергетической экономики на Земле, обеспечивают перспективные альтернативные системы существующим подразделениям по оживлению воздуха, используемым на Международном пространстве станция (ISS) через фотоэлектрохимическое водорасщеление и производство водорода. Одним из препятствий для воды (фото-) электролиза в условиях пониженной гравитации является отсутствие плавучести и, как это, препятствует выбросу газового пузыря из поверхности электрода. Это приводит к образованию слоев пузырьков газа в непосредственной близости от поверхности электрода, что приводит к увеличению устойчивости к онмии и потери клеточной эффективности из-за снижения массовой передачи субстратов и продуктов к и из электрода. Недавно мы продемонстрировали эффективное производство солнечного водорода в условиях микрогравитации, используя интегрированную полупроводниково-электрокатализаторную систему с фосфидом р-типа в качестве светопоглощателя и родийского электрокатализатора. Путем наноструктуры электрокатализатора с помощью теневой наносферной литографии и тем самым создавая каталитические «горячие точки» на фотоэлектродной поверхности, мы смогли преодолеть ограничения на слияние газовых пузырей и передачу массы и продемонстрировать эффективный водород производства при высокой плотности течения в условиях уменьшенной гравитации. Здесь описаны экспериментальные детали для подготовки этих наноструктурированных устройств и далее, процедуры их тестирования в условиях микрогравитации, реализованной в Бременском drop Tower в течение 9,3 с свободного падения.
Introduction
Наша атмосфера на Земле формируется в результате кислородного фотосинтеза, процесса 2,3 миллиарда лет, преобразующего солнечную энергию в богатые энергией углеводороды, высвобождая кислород в качестве побочного продукта и используя воду и CO2 в качестве субстратов. В настоящее время искусственные фотосинтетические системы, следуя концепции энергетической схемы катализа и передачи заряда в естественном фотосинтезе, реализуются в полупроводниковых электрокатализаторских системах, показывая до сих пор эффективность преобразования солнечной к водороду 19 %1,2. В этих системах полупроводниковые материалы используются в качестве легких амортизаторов, покрытых тонким прозрачным слоем электрокатализаторов4. Интенсивные исследования в этой области способствуют глобальному поиску возобновляемых энергетических систем с водородом и длинноцепочечными углеводородами, что делает отличными кандидатами на альтернативное топливо. Аналогичные препятствия существуют и в долгосрочных космических миссиях, где пополнение ресурсов с Земли невозможно. Требуется надежное аппаратное обеспечение жизнеобеспечения, использующий эффективный блок оживления воздуха, обеспечивающий около 310 кг кислорода на одного члена экипажа в год, не учитывающий внекорачную деятельность5. Эффективное солнечное устройство для разделения воды, способное производить кислород и водород или уменьшать углекислый газ солнечной помощи и в монолитной системе обеспечит альтернативный, легкий маршрут к используемым в настоящее время технологиям на ISS: блок оживления воздуха состоит из разделенной системы с щелочным электролизером, концентратором твердого углекислого газа амина и Сабатье реактором для уменьшения CO2.
Беспрецедентно, мы реализовали эффективное производство солнечной водорода в условиях микрогравитации, обеспечиваемое 9,3 с во время свободного падения в Бременском Drop Tower (ЗАРМ, Германия)6. Используя р-тип фосфида в качестве полупроводникового светопоглощателя7,8, покрытый наноструктурированным электрокатализатором родия, мы преодолели ограничения субстрата и массы продукта на и с фотоэлектродной поверхности, что является препятствием в условиях пониженной гравитации из-за отсутствия плавучести9,10. Применение теневой наносферной литографии11,12 непосредственно на фотоэлектродной поверхности позволило сформировать родий-каталитические «горячие точки», которые препятствовали слиянию пузырьов водородного газа и образованию слоя пены в непосредственной близости от поверхности электрода.
В этом материале мы предоставляем экспериментальные детали фотоэлектродного препарата p-InP, включая офорт и кондиционирование поверхности, а затем применение теневой наносферной литографии на поверхности электрода и фотоэлектродепозицию родия наночастицы через полистирол сферы. Кроме того, описана экспериментальная установка в капсуле капли в Бременском Дрог-Тауэр и приведены детали экспериментальной последовательности во время 9,3 с свободного падения. Образец рассрочки и обработки до и после каждой капли изложены, а также подготовка капсулы падения и ее оборудования для работы источников освещения, potentiostats, затвора управления и видеокамеры по команде.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для приготовления фотоэлектродов важно минимизировать воздействие кислорода между травлением и процедурой кондиционирования и очистить 0,5 М ЛЦ перед использованием около 10 – 15 мин с азотом. После того, как образцы кондиционируются, они могут храниться в атмосфере азота в 15 мл коническ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. признает финансирование из программы стипендий Немецкой национальной академии наук Леопольдины, грантLPS 2016-06 и Европейского космического агентства. Кроме того, она хотела бы поблагодарить д-ра Леопольда Саммерера, команду Advanced Concepts Team, Алана Доусона, д-ра Джека ван Лоуна, д-ра Габора Милассина и д-ра Роберта Линднера (ESTEC), Робберта-Яна Нурдама (Notese) и профессора Гарри Б. Грея (Caltech) за их большую поддержку. M.H.R. благодарна за щедрую поддержку профессора Натана С. Льюиса (Caltech). K.B. и M.H.R. признают поддержку Со стороны Института Бекмана Калифорнийского технологического института и Исследовательского центра молекулярной материалов. Команда PhotoEChem высоко ценит финансирование со стороны Германского аэрокосмического центра (Deutsches Centerr f’r Luft- und Raumfahrt e.V.) для проекта No 50WM1848. Кроме того, M.G. признает финансирование из Гуандун Инновационной и предпринимательской команды программы под названием “Плазмонные наноматериалы и квантовые точки для управления светом в оптоэлектронных устройств” (No 2016-T06C517). Кроме того, авторская группа высоко ценит усилия и поддержку со стороны команды ЗАРМ с Дитером Бишоффом, Торстеном Лутцем, Маттиасом Мейером, Фредом Откеном, Яном Зимерсом, д-ром Мартином Кастильо, Магдаленой Тод и доктором Торбеном Кёнеманном. Он также благодарен за просветительские беседы с профессором Ясухиро Фукунакой (Университет Васэда), профессором Хисаёси Мацусимой (Университет Хоккайдо) и доктором Слободаном Митровичем (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
- 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).
