Méthodes expérimentales pour une production efficace d'hydrogène solaire dans l'environnement de microgravité
Summary
Une production efficace d’hydrogène solaire a récemment été réalisée sur des systèmes semi-conducteurs-électrocatalyseurs fonctionnalisés dans une demi-cellule photoélectrochimique en microgravité à la Tour de Brême. Ici, nous rapportons les procédures expérimentales pour la fabrication du dispositif semi-conducteur-électrocatalyseur, les détails de la configuration expérimentale dans la capsule de chute et la séquence expérimentale pendant la chute libre.
Abstract
Les vols spatiaux à long terme et les plates-formes de recherche cis-lunaires nécessitent un matériel de survie durable et léger qui peut être utilisé de manière fiable en dehors de l’atmosphère terrestre. Les dispositifs dits « de combustible solaire », actuellement développés pour des applications terrestres dans la quête de la réalisation d’une économie énergétique durable sur Terre, fournissent des systèmes alternatifs prometteurs aux unités existantes de revitalisation de l’air employées sur l’espace international par le biais du fractionnement photoélectrochimique de l’eau et de la production d’hydrogène. L’un des obstacles à l’électrolyse de l’eau (photo-) dans les environnements à gravité réduite est l’absence de flottabilité et la libération de bulles de gaz qui en découle de la surface de l’électrode. Cela provoque la formation de couches de mousse de bulles de gaz à proximité de la surface de l’électrode, conduisant à une augmentation de la résistance ohmique et la perte d’efficacité cellulaire due à la réduction du transfert de masse des substrats et des produits à et de l’électrode. Récemment, nous avons démontré une production efficace d’hydrogène solaire dans un environnement de microgravité, en utilisant un système intégré semi-conducteur-électrocatalyseur avec du phosphide indium de type p comme absorbeur de lumière et électrocatalyseur de rhodium. En nanostructurant l’électrocatalyseur à l’aide de la lithographie de la nanosphère de l’ombre et en créant ainsi des « points chauds » catalytiques sur la surface du photoélectrode, nous avons pu surmonter la coalescence des bulles de gaz et les limitations de transfert de masse et démontrer l’hydrogène efficace production à des densités de courant élevées dans la gravitation réduite. Ici, les détails expérimentaux sont décrits pour la préparation de ces dispositifs nanostructurés et plus loin, la procédure pour leurs essais dans l’environnement de microgravité, réalisée à la Tour de Brême Drop pendant 9,3 s de chute libre.
Introduction
Notre atmosphère sur Terre se forme par photosynthèse oxygénienne, un procédé vieux de 2,3 milliards d’années qui convertit l’énergie solaire en hydrocarbures riches en énergie, libérant de l’oxygène comme sous-produit et utilisant l’eau et le CO2 comme substrats. Actuellement, les systèmes photosynthétiques artificiels suivant le concept de l’énergie Z-scheme de catalyse et de transfert de charge dans la photosynthèse naturelle sont réalisés dans les systèmes semi-conducteurs-électrocatalyseurs, montrant jusqu’ici une efficacité de conversion solaire-hydrogène de 19 %1,2,3. Dans ces systèmes, les matériaux semi-conducteurs sont utilisés comme absorbeurs de lumière qui sont recouverts d’une mince couche transparente d’électrocatalyseurs4. La recherche intense dans ce domaine est favorisée par la recherche mondiale de systèmes d’énergie renouvelable avec de l’hydrogène et des hydrocarbures à longue chaîne, ce qui fait d’excellents candidats pour un approvisionnement en carburantde de remplacement. Des obstacles similaires sont également rencontrés sur les missions spatiales à long terme, où un réapprovisionnement des ressources de la Terre n’est pas possible. Un matériel de survie fiable est nécessaire, utilisant une unité efficace de revitalisation de l’air fournissant environ 310 kg d’oxygène par membre d’équipage par an, ne tenant pas compte des activités extravéhiculaires5. Un dispositif de fractionnement de l’eau solaire efficace, capable de produire de l’oxygène et de l’hydrogène ou de réduire le dioxyde de carbone solaire assisté et dans un système monolithique fournirait une alternative, voie plus légère aux technologies actuellement utilisées sur l’ISS: l’unité de revitalisation de l’air est composé d’un système séparé avec un électrolyseur alcalin, un concentrateur de dioxyde de carbone amine solide et un réacteur Sabatier pour la réduction de CO2.
Sans précédent, nous avons réalisé une production efficace d’hydrogène solaire dans un environnement de microgravité, fournie par un 9,3 s en chute libre à la Tour de Brême (ZARM, Allemagne)6. En utilisant p-type indium phosphide comme un semi-conducteur luminaire-absorbeur7,8 recouvert d’un électrocatalyseur de rhodium nanostructuré, nous avons surmonté le substrat et les limitations de transfert de masse du produit à et à partir de la surface de photoélectrode, qui est un obstacle dans les environnements de gravité réduite en raison de l’absence de flottabilité9,10. L’application de la lithographie de la nanosphère d’ombre11,12 directement sur la surface du photoélectrode a permis la formation de « points chauds » catalytiques du rhodium, ce qui a empêché la coalescence de la bulle de gaz d’hydrogène et la formation d’une couche de mousse à proximité de la surface de l’électrode.
Ici, nous fournissons des détails expérimentaux de la préparation de photoélectrode de p-InP comprenant la gravure et le conditionnement de surface, suivis de l’application de la lithographie de nanosphère d’ombre sur la surface d’électrode et de la photoélectrodposition du rhodium nanoparticules à travers les sphères de polystyrène. En outre, la configuration expérimentale dans la capsule de chute à la tour de brême est décrite et les détails de la séquence expérimentale au cours de la 9.3 s de chute libre sont fournis. L’échantillon de versement et de manipulation avant et après chaque goutte sont décrits ainsi que la préparation de la capsule de chute et de son équipement pour faire fonctionner les sources d’éclairage, les potentiostats, les commandes d’obturateur et les caméras vidéo sur commande.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour la préparation des photoélectrodes, il est important de minimiser l’exposition à l’oxygène entre la gravure et la procédure de conditionnement et de purger le HCl de 0,5 M avant utilisation pendant environ 10 à 15 minutes avec de l’azote. Une fois les échantillons conditionnés, ils peuvent être stockés sous l’atmosphère azotée dans des tubes coniques de 15 ml pendant quelques heures pour permettre le transport de l’échantillon et/ou le temps de préparation des masques à particules de polystyrène. Afi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. reconnaît le financement du programme de bourses de l’Académie nationale allemande des sciences Leopoldina, de la subvention LPDS 2016-06 et de l’Agence spatiale européenne. De plus, elle tient à remercier le Dr Leopold Summerer, l’équipe des concepts avancés, Alan Dowson, jack van Loon, le Dr Gabor Milassin et le Dr Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) et le professeur Harry B. Gray (Caltech) pour leur grand soutien. M.H.R. est reconnaissant pour le soutien généreux du professeur Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. et M.H.R. reconnaissent le soutien du Beckman Institute du California Institute of Technology et du Molecular Materials Research Center. L’équipe PhotoEChem reconnaît grandement le financement du Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum f’r Luft- und Raumfahrt e.V.) pour le projet no 50WM1848. De plus, M.G. reconnaît le financement du Programme d’équipe d’innovation et d’entrepreneuriat du Guangdong intitulé « Plasmonic Nanomaterials and Quantum Dots for Light Management in Optoelectronic Devices » (no. 2016ZT06C517). En outre, l’équipe d’auteurs reconnaît grandement l’effort et le soutien de l’équipe ZARM avec Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode et Dr. Thorben K’nemann. Il est également reconnaissant d’avoir éclairé les discussions avec le professeur Yasuhiro Fukunaka (Université Waseda), le professeur Hisayoshi Matsushima (Université Hokkaido) et le 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 |
Referências
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