Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler
Summary
Verimli güneş-hidrojen üretimi son zamanlarda Bremen Drop Tower mikroyerçekimi ortamında bir fotoelektrokimyasal yarı hücreli fonksiyonel yarı iletken-elektrokatalizör sistemlerde gerçekleştirilmiştir. Burada, yarı iletken-elektrokatörekat cihazının üretimi için deneysel prosedürleri, damla kapsülündeki deneysel kurulumun ayrıntılarını ve serbest düşüş sırasındaki deneysel diziyi rapor ediyoruz.
Abstract
Uzun süreli uzay uçuşları ve cis-lunar araştırma platformları, Dünya atmosferinin dışında güvenilir bir şekilde kullanılabilir sürdürülebilir ve hafif bir yaşam destek donanımı gerektirir. Dünya’da sürdürülebilir bir enerji ekonomisini gerçekleştirmek için karasal uygulamalar için geliştirilen sözde ‘güneş yakıtı’ cihazları, Uluslararası Uzay’da kullanılan mevcut hava canlandırma birimlerine umut verici alternatif sistemler sunmaktadır. İstasyon (ISS) fotoelektrokimyasal su yarma ve hidrojen üretimi ile. Azaltılmış yerçekimi ortamlarında su (foto-) elektroliz için bir engel yüzdürme ve sonuç olarak, elektrot yüzeyinden engellenen gaz kabarcığı serbest. Bu elektrot yüzeyine yakın gaz kabarcık köpük katmanları oluşumuna neden olur, ve elektrot azaltılmış kütle transferi nedeniyle ohmik direnç ve hücre verimliliği kaybına yol açan. Son zamanlarda, mikroyerçekimi ortamında etkin güneş hidrojen üretimi göstermiştir, ışık emici ve rodyum elektrokatalizör olarak p-tipi indiyum fosfat ile entegre bir yarı iletken-elektrokatalizör sistemi kullanarak. Gölge nanosphere litografisi kullanarak elektrokatalizör nanoyapıve bu nedenle fotoelektrot yüzeyinde katalitik ‘sıcak noktalar’ oluşturarak, gaz kabarcığı birleştirme ve kütle transferi sınırlamaları üstesinden gelebilir ve verimli hidrojen gösterdi azaltılmış yerçekimi yüksek akım yoğunluklarında üretim. Burada, deneysel ayrıntılar bu nanoyapılı cihazların hazırlıkları için açıklanmıştır ve daha fazla, mikroyerçekimi ortamında test için prosedür, Serbest düşüş 9.3 s sırasında Bremen Drop Kulesi’nde gerçekleştirilen.
Introduction
Dünya’daki atmosferimiz, güneş enerjilerini enerji açısından zengin hidrokarbonlara dönüştüren, oksijeni yan ürün olarak serbest bırakan ve su ve CO2’yi substrat olarak kullanan 2,3 milyar yıllık bir süreç olan oksijenik fotosentez le oluşur. Şu anda, doğal fotosentezde enerjik Z şeması ve doğal fotosentezde yük transferi kavramını takip eden yapay fotosentetik sistemler yarı iletken-elektrokatalizör sistemlerde gerçekleştirilerek şimdiye kadar güneşten hidrojene dönüşüm verimliliğini 19 %1,2,3olarak gösterir. Bu sistemlerde yarı iletken malzemeler, ince, saydam bir elektrokatalizör tabakası ile kaplanmış ışık emiciler olarak kullanılmaktadır4. Bu alanda yoğun araştırma hidrojen ve uzun zincirli hidrokarbonlar alternatif bir yakıt kaynağı için mükemmel adaylar yapma yenilenebilir enerji sistemleri için küresel arayışı tarafından teşvik edilir. Benzer engeller, Dünya’dan kaynak temininin mümkün olmadığı uzun vadeli uzay görevlerinde de karşı karşıya dır. Güvenilir bir yaşam destek donanımı gereklidir, mürettebat üyesi başına yılda yaklaşık 310 kg oksijen sağlayan verimli bir hava canlandırma ünitesi istihdam, ekstravehiküler faaliyetler için muhasebe değil5. Verimli bir güneş suyu yarma cihazı, oksijen ve hidrojen üretme yeteneğine sahip veya karbondioksit güneş destekli azaltmak ve yekpare bir sistemde iss şu anda istihdam teknolojileri için alternatif, hafif bir rota sağlayacak: hava canlandırma ünitesi bir alkali elektroliz, katı bir amin karbondioksit konsentür ve CO2azaltılması için bir Sabatier reaktör ile ayrılmış bir sistem oluşur .
Benzeri görülmemiş bir şekilde, bremen Drop Tower (ZARM, Almanya)6serbest düşüş sırasında 9.3 s tarafından sağlanan mikroyerçekimi ortamında verimli güneş-hidrojen üretimi gerçekleştirdi. Yarı iletken bir ışık emici olarak p-tipi indiyum fosfat kullanarak7,8 nanoyapılı rodyum elektrokatalizör ile kaplanmış, biz ve fotoelektrot yüzeyinden substrat ve ürün kütle transferi sınırlamaları üstesinden, hangi yüzdürme olmaması nedeniyle azaltılmış yerçekimi ortamlarında bir engeldir9,10. Gölge nanosphere litografi11,12 doğrudan fotoelektrot yüzeyine uygulanması rodyum katalitik ‘sıcak noktalar’ oluşumunu sağladı, hangi hidrojen gaz kabarcık birleştirme ve elektrot yüzeyine yakın bir köpük tabakası oluşumunu engelledi.
Burada yüzey gravür ve koşullandırma dahil olmak üzere p-InP fotoelektrot hazırlığının deneysel detaylarını, ardından elektrot yüzeyine gölge nanosphere litografisinin uygulanmasını ve rodyumun fotoelektroelektrotpozisyonunu saklı tutarak polistiren küreler aracılığıyla nano tanecikleri. Ayrıca, Bremen Drop Tower’daki damla kapsülündeki deneysel kurulum açıklanmış ve serbest düşüşün 9.3 s’lik bölümünde deneysel dizinin ayrıntıları verilmiştir. Her damladan önce ve sonra örnek taksit ve işleme yanı sıra bırakma kapsülü ve aydınlatma kaynakları, potansiyostats, deklanşör kontrolleri ve video kameralar komutu üzerine çalıştırmak için ekipman hazırlanması özetlenmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fotoelektrotların hazırlanması için, gravür ve klima prosedürü arasındaki oksijen maruziyetini en aza indirmek ve 0,5 M HCl’yi kullanmadan önce yaklaşık 10 – 15 dk azot ile temizlemek önemlidir. Numuneler şartlandırıldıktan sonra, polistiren partikül maskelerinin numune taşınması ve/veya hazırlanması için 15 mL konik tüplerde azot atmosferi altında birkaç saat saklanabilir. ELEKTROT substratı üzerinde PS kürelerinin homojen bir şekilde düzenlenmesi için, su yüzeyinde sürekli, yansıtıc?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B., Alman Ulusal Bilimler Akademisi Leopoldina, grant LPDS 2016-06 ve Avrupa Uzay Ajansı burs programından fon kabul ediyor. Ayrıca, Dr Leopold Summerer, Advanced Concepts Team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin ve Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) ve Prof. Harry B. Gray’e (Caltech) büyük desteklerinden dolayı teşekkür eder. M.H.R. Prof. Nathan S. Lewis’in (Caltech) cömert desteği için minnettardır. K.B. ve M.H.R. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Beckman Enstitüsü ve Moleküler Malzeme Araştırma Merkezi’nin desteğini kabul ediyor. PhotoEChem Ekibi, 50WM1848 numaralı proje için Alman Havacılık ve Uzay Merkezi’nden (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) yapılan fonları büyük ölçüde kabul eder. Ayrıca, M.G. Guangdong Yenilikçi ve Girişimci Ekip Programı”nın “Optoelektronik Cihazlarda Işık Yönetimi için Plazmonik Nanomalzemeler ve Kuantum Noktaları” (no. 2016ZT06C517) başlıklı finansmanı kabul eder. Ayrıca yazar ekibi, Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode ve Dr. Thorben Könemann ile zarm ekibinin çaba ve desteğini büyük ölçüde kabul ediyor. Ayrıca Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda Üniversitesi), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Üniversitesi) ve Dr. Slobodan Mitrovic (Lam Research) ile yapılan aydınlatıcı tartışmalar için de müteşekkirdir.
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).
