Experimentella metoder för effektiv produktion av sol väte i Mikrogravitations miljö
Summary
Effektiv sol-väteproduktion har nyligen realiserats på funktionaliserade halvledar-elektrokatalysatorer i en fotoelektrokemisk halvcell i i mikrogravitation miljö vid Bremen Drop Tower. Här rapporterar vi experimentella procedurer för tillverkning av halvledar-elektrokatalysatorn, detaljer om den experimentella uppsättningen i dropp kapseln och den experimentella sekvensen under fritt fall.
Abstract
Långsiktiga rymdflygningar och CIS-Lunar forskningsplattformar kräver en hållbar och lätt livs-stöd hårdvara som kan tillförlitligt användas utanför jordens atmosfär. Så kallade “Sol bränsle” anordningar, som för närvarande utvecklats för markbundna tillämpningar i sökandet efter att realisera en hållbar energi ekonomi på jorden, ge lovande alternativa system till befintliga luft-vitalisering enheter som används på den internationella rymden Station (ISS) genom foto elektrokemisk vatten delning och väteproduktion. Ett hinder för vatten (foto-) elektrolys i minskad gravitation miljöer är frånvaron av flytkraft och den påföljande, hindras gasbubbla release från elektrod ytan. Detta orsakar bildandet av gasbubbla skumlager i närheten av elektrod ytan, vilket leder till en ökning av ohmsk motstånd och cell-effektivitet förlust på grund av minskad massöverföring av substrat och produkter till och från elektroden. Nyligen har vi visat effektiv produktion av sol väte i i mikrogravitation miljö, med hjälp av en integrerad halvledar-elektrokatalysator system med p-typ indium fosfid som ljus-absorbator och en Rhodium elektrokatalysator. Genom nanostrukturering av elektrokatalysatorn med Shadow som litografi och därigenom skapa katalytiska “hot spots” på photoelektrod ytan, kunde vi övervinna gasbubbla återförening och massöverföring begränsningar och visat effektivt väte produktion vid hög Ströms tätheter i reducerad gravitation. Här är de experimentella detaljerna beskrivs för förberedelserna av dessa nanostrukturerade enheter och vidare, förfarandet för deras testning i i mikrogravitation miljö, insåg vid Bremen Drop Tower under 9,3 s av fritt fall.
Introduction
Vår atmosfär på jorden bildas genom syrerik fotosyntes, en 2 300 000 000-årig process som omvandlar solenergi till energirika kolväten, frigör syre som en biprodukt och använder vatten och co2 som substrat. För närvarande, konstgjorda fotosyntetiska system efter begreppet energiska Z-system för katalys och laddning överföring i naturlig fotosyntes realiseras i halvledare-elektrokatalysator system, visar hittills en sol-till-väte omvandlings effektivitet av 19%1,2,3. I dessa system används halvledarmaterial som ljusabsorbenter som är belagda med ett tunt, transparent skikt av elektrokatalysatorer4. Intensiv forskning inom detta område främjas av den globala strävan efter förnybara energisystem med vätgas och långkedjiga kolväten som gör utmärkta kandidater för en alternativ bränsletillförsel. Liknande hinder ställs också inför långsiktiga rymduppdrag, där det inte är möjligt att återleverera resurser från jorden. En pålitlig livsuppehållande maskinvara krävs, anställa en effektiv luft vitalisering enhet som ger ca 310 kg syre per besättningsmedlem per år, inte redovisning för Extravehicular verksamhet5. En effektiv sol vatten-uppdelning enhet, som kan producera syre och väte eller minska koldioxid Solar-Assisted och i ett monolitiskt system skulle ge en alternativ, lättare väg till nuvarande anställd teknik på ISS: luften vitalisering enhet består av ett separerat system med en alkalisk elektrolyserare, en solid Amin koldioxid koncentrator och en Sabatier reaktor för minskning av CO2.
Exempelöst insåg vi effektiv sol-väteproduktion i i mikrogravitation miljö, som tillhandahålls av en 9,3 s under Free-fall på Bremen Drop Tower (Zarm, Tyskland)6. Använda p-typ indium fosfid som en halvledande ljus-absorbator7,8 belagd med en Nanostrukturerad Rhodium elektrokatalysator, vi övervann substrat och produkt massöverföring begränsningar till och från photoelektrod ytan, vilket är ett hinder i minskad gravitation miljöer på grund av frånvaron av flytkraft9,10. Tillämpningen av Shadow som litografi11,12 direkt på photoelektrod ytan tillät bildandet av Rhodium katalytiska “hot spots”, som förhindrade vätegas bubbla koalescens och bildandet av ett skumskikt i närheten av elektrod ytan.
Häri ger vi experimentella uppgifter om p-INP photoelektrod beredning inklusive yta etsning och konditionering, följt av tillämpningen av Shadow som litografi på elektrod ytan och photoelectrodeposition av Rhodium nanopartiklar genom polystyren sfärer. Dessutom beskrivs den experimentella uppsättningen i dropp kapseln på Bremens Drop Tower och detaljerna i den experimentella sekvensen under 9,3 s av fritt fall tillhandahålls. Prov avbetalning och hantering före och efter varje droppe beskrivs samt beredning av Drop Capsule och dess utrustning för att driva belysning källor, potentiostater, slutare kontroller och videokameror på kommando.
Protocol
Representative Results
Discussion
För beredning av foto elektroder, är det viktigt att minimera syre exponeringen mellan etsning och konditioneringen förfarande och att rensa 0,5 M HCl före användning för ca 10-15 min med kväve. När proverna har konditioneras kan de lagras under kväveatmosfär i 15 mL koniska rör under några timmar för att tillåta provtransport och/eller förberedelsetid för partikel maskerna av polystyren. För att uppnå ett homogent arrangemang av PS spheres på elektrod substrat, är det viktigt att bilda en kontinuerli…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. erkänner finansiering från Fellowship-programmet för den tyska nationella vetenskapsakademin Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 och Europeiska rymdorganisationen. Dessutom skulle hon vilja tacka Dr Leopold Summerer, den avancerade Concepts team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr Gabor Milassin och Dr Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) och prof. Harry B. Gray (Caltech) för deras stora stöd. M.H.R. är tacksam för generöst stöd från prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. och M.H.R. bekräftar stöd från Beckman Institute of California Institute of Technology och molekylär Materials Research Center. Photoechem team erkänner starkt finansiering från den tyska Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.) för projektet nr 50WM1848. Dessutom erkänner M.G. finansiering från Guangdong innovativa och entreprenöriella team program med titeln “Plasmonic nanomaterial och kvantprickar för ljus hantering i Optoelectronic enheter” (nr 2016ZT06C517). Vidare erkänner författaren laget mycket ansträngning och stöd från ZARM laget med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr Martin Castillo, Magdalena Thode och Dr Thorben Könemann. Det är också tacksam för upplysande diskussioner med prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) och Dr Slobodan Mitrovic (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).
