ब्रेमेन ड्रॉप टॉवर में माइक्रोग्रैविटी वातावरण में फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल हाफ-सेल में कार्यात्मक अर्धचालक-इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट सिस्टम पर कुशल सौर-हाइड्रोजन उत्पादन हाल ही में महसूस किया गया है। यहां, हम सेमीकंडक्टर-इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट डिवाइस के निर्माण के लिए प्रायोगिक प्रक्रियाओं, ड्रॉप कैप्सूल में प्रायोगिक सेट-अप का विवरण और मुक्त गिरावट के दौरान प्रायोगिक अनुक्रम की रिपोर्ट करते हैं।
दीर्घकालिक अंतरिक्ष उड़ानों और cis-चंद्र अनुसंधान प्लेटफार्मों के लिए एक टिकाऊ और प्रकाश जीवन-समर्थन हार्डवेयर की आवश्यकता होती है जिसे पृथ्वी के वायुमंडल के बाहर मज़बूती से नियोजित किया जा सकता है । तथाकथित ‘ सौर ईंधन ‘ उपकरणों, वर्तमान में पृथ्वी पर एक टिकाऊ ऊर्जा अर्थव्यवस्था को साकार करने के लिए खोज में स्थलीय अनुप्रयोगों के लिए विकसित, मौजूदा वायु पुनरोद्धार अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष पर नियोजित इकाइयों के लिए आशाजनक वैकल्पिक प्रणाली प्रदान फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल पानी-बंटवारे और हाइड्रोजन उत्पादन के माध्यम से स्टेशन (आईएसएस) । कम गुरुत्वाकर्षण वातावरण में पानी के लिए एक बाधा (फोटो-) इलेक्ट्रोलिसन उछाल की अनुपस्थिति और परिणामी, इलेक्ट्रोड सतह से गैस बुलबुला रिलीज में रुकावट है। यह इलेक्ट्रोड सतह के निकट गैस बुलबुला झाग परतों के गठन का कारण बनता है, जिससे इलेक्ट्रोड के लिए और से सब्सट्रेट्स और उत्पादों के कम बड़े पैमाने पर हस्तांतरण के कारण ओमी प्रतिरोध और सेल दक्षता हानि में वृद्धि हुई है। हाल ही में, हमने माइक्रोग्रैविटी वातावरण में कुशल सौर हाइड्रोजन उत्पादन का प्रदर्शन किया है, जिसमें पी-प्रकार के इंडियम फॉस्फाइड के साथ एक एकीकृत सेमीकंडक्टर-इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट सिस्टम का उपयोग किया गया है। छाया नैनोस्फीयर लिथोग्राफी का उपयोग करके इलेक्ट्रोकैटेलिटी को नैनोस्ट्रेक्ट करके और इस तरह फोटोइलेक्ट्रोड सतह पर उत्प्रेरक ‘हॉट स्पॉट’ बनासकते हैं, हम गैस बुलबुला संबल और बड़े पैमाने पर हस्तांतरण सीमाओं को दूर कर सकते हैं और कुशल हाइड्रोजन का प्रदर्शन कर सकते हैं कम गुरुत्वाकर्षण में उच्च वर्तमान घनत्व पर उत्पादन। यहां, इन नैनोस्ट्रक्चर्ड उपकरणों की तैयारियों के लिए प्रायोगिक विवरण वर्णित हैं और आगे, माइक्रोग्रैविटी वातावरण में उनके परीक्षण की प्रक्रिया, 9.3 एस के दौरान ब्रेमेन ड्रॉप टॉवर में मुफ्त गिरावट के दौरान महसूस की गई।
पृथ्वी पर हमारा वातावरण ऑक्सीजनिक प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से बनता है, जो सौर ऊर्जा को ऊर्जा से भरपूर हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित करने वाली २,३००,०००,००० साल पुरानी प्रक्रिया है, एक उप-उत्पाद के रूप में ऑक्सीजन जारी करना और पानी और सीओ2 का उपयोग सब्सट्रेट्स के रूप में करना है । वर्तमान में, उत्प्रेरक की ऊर्जावान जेड-योजना की अवधारणा के बाद कृत्रिम फोटोसिंथेटिक सिस्टम और प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण में चार्ज हस्तांतरण सेमीकंडक्टर-इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट सिस्टम में महसूस किए जाते हैं, जो अब तक 19%1,2,3की सौर-से-हाइड्रोजन रूपांतरण दक्षता दिखाते हैं। इन प्रणालियों में, सेमीकंडक्टर सामग्री को हल्के अवशोषक के रूप में नियोजित किया जाता है जो इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट4की पतली, पारदर्शी परत के साथ लेपित होते हैं। इस क्षेत्र में गहन अनुसंधान हाइड्रोजन और लंबी श्रृंखला हाइड्रोकार्बन के साथ नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों के लिए वैश्विक खोज द्वारा एक वैकल्पिक ईंधन की आपूर्ति के लिए उत्कृष्ट उंमीदवार बनाने के द्वारा पदोंनत किया जाता है । इसी तरह की बाधाओं का सामना दीर्घकालिक अंतरिक्ष मिशनों पर भी किया जाता है, जहां पृथ्वी से संसाधनों की पुनर्आपूर्ति संभव नहीं है । एक विश्वसनीय जीवन-सहायता हार्डवेयर की आवश्यकता होती है, जो प्रति वर्ष प्रति क्रू सदस्य लगभग 310 किलोग्राम ऑक्सीजन प्रदान करने वाली एक कुशल वायु पुनरोद्धार इकाई को नियोजित करती है, जो अतिरिक्त वाहन ों की गतिविधियों के लिए लेखांकन नहींहै 5। एक कुशल सौर जल-विभाजन उपकरण, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम है या कार्बन डाइऑक्साइड सौर सहायता प्राप्त को कम करने में सक्षम है और एक अखंड प्रणाली में आईएसएस पर वर्तमान में नियोजित प्रौद्योगिकियों के लिए एक विकल्प, हल्का मार्ग प्रदान करेगा: वायु पुनरोद्धार इकाई में एक क्षारीय इलेक्ट्रोलिज़र, एक ठोस अमीन कार्बन डाइऑक्साइड केंद्रित और सीओ2की कमी के लिए एक सबटियर रिएक्टर के साथ एक अलग प्रणाली शामिल है ।
अभूतपूर्व रूप से, हमने माइक्रोग्रैविटी वातावरण में कुशल सौर-हाइड्रोजन उत्पादन का एहसास किया, जो ब्रेमेन ड्रॉप टॉवर (जेआरएम, जर्मनी)6में फ्री-फॉल के दौरान 9.3 एस द्वारा प्रदान किया गया था। एक अर्धचालक प्रकाश अवशोषक7,8 एक नैनोस्ट्रक्चर्ड रोडियम इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट के साथ लेपित के रूप में पी-प्रकार इंडियम फॉस्फाइड का उपयोग करते हुए, हम फोटोइलेक्ट्रोड सतह से सब्सट्रेट और उत्पाद द्रव्यमान हस्तांतरण सीमाओं को पार कर ते हैं, जो उछाल9,10की अनुपस्थिति के कारण कम गुरुत्वाकर्षण वातावरण में बाधा है। फोटोइलेक्ट्रोड सतह पर सीधे छाया नैनोस्फीयर लिथोग्राफी11,12 के आवेदन ने रोडियम उत्प्रेरक ‘हॉट स्पॉट’ के गठन की अनुमति दी, जिसने हाइड्रोजन गैस बुलबुले को संहार और इलेक्ट्रोड सतह की निकटता में एक झाग परत के गठन को रोका।
इसके साथ, हम सतह नक़्क़ाशी और कंडीशनिंग सहित पी-आईएनपी फोटोइलेक्ट्रोड तैयारी का प्रायोगिक विवरण प्रदान करते हैं, जिसके बाद इलेक्ट्रोड सतह पर छाया नैनोस्फीयर लिथोग्राफी का अनुप्रयोग और रोडियम की फोटोइलेक्ट्रोडपोजिशन पॉलीस्टीरिन क्षेत्रों के माध्यम से नैनोकण। इसके अलावा, ब्रेमेन ड्रॉप टॉवर में ड्रॉप कैप्सूल में प्रायोगिक सेट-अप का वर्णन किया गया है और 9.3 एस मुक्त गिरावट के दौरान प्रायोगिक अनुक्रम का विवरण प्रदान किया जाता है। नमूना किस्त और हैंडलिंग से पहले और प्रत्येक बूंद के बाद के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ड्रॉप कैप्सूल और उसके उपकरणों की तैयारी के लिए रोशनी स्रोतों, potentiostats, शटर नियंत्रण और कमान पर वीडियो कैमरों संचालित करने के लिए रेखांकित कर रहे हैं ।
फोटोइलेक्ट्रोड की तैयारी के लिए, नक़्क़ाशी और कंडीशनिंग प्रक्रिया के बीच ऑक्सीजन जोखिम को कम करना और नाइट्रोजन के साथ लगभग 10 – 15 मीटर के उपयोग से पहले 0.5 एम एचसीएल को शुद्ध करना महत्वपूर्ण है। एक बार नमून?…
The authors have nothing to disclose.
केबी जर्मन नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज लियोपोल्डिना, ग्रांट एलपीडीएस 2016-06 और यूरोपियन स्पेस एजेंसी के फेलोशिप प्रोग्राम से फंडिंग को स्वीकार करता है । इसके अलावा, वह डॉ लियोपोल्ड सुमेर, एडवांस्ड कॉन्सेप्ट्स टीम, एलन डॉसन, डॉ जैक वान लून, डॉ गैबर मिलासिन और डॉ रॉबर्ट लिंडनर (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) और प्रो हैरी बी ग्रे (Caltech) को उनके महान समर्थन के लिए शुक्रिया अदा करना चाहते हैं । M.H.R. प्रो नाथन एस लुईस (Caltech) से उदार समर्थन के लिए आभारी है । केबी और M.H.R. कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और मॉलिक्यूलर मैटेरियल्स रिसर्च सेंटर के बेकमैन इंस्टीट्यूट से समर्थन स्वीकार करते हैं । फोटोकेम टीम परियोजना संख्या 50WM1848 के लिए जर्मन एयरोस्पेस सेंटर (ड्यूशज़ेनट्रम फ्यूर लुफ्ट-एंड राम्फार्ट ईवी) से धन को बहुत स्वीकार करती है। इसके अलावा, एमजी गुआंगदोंग अभिनव और उद्यमशीलता टीम कार्यक्रम से धन स्वीकार करता है शीर्षक “प्लाज्मोनिक नैनोमैटेरियल्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में प्रकाश प्रबंधन के लिए क्वांटम डॉट्स” (नंबर 2016ZT06C517) । इसके अलावा, लेखक टीम डाइटर बिस्चोफ, टोरस्टन लुट्ज, मैथियस मेयेर, फ्रेड ओटकेन, जन सीमर्स, डॉ मार्टिन कैस्टिलो, मगदलीना थोड और डॉ थोरबेन कोनेमैन के साथ जेआरएम टीम के प्रयास और समर्थन को बहुत स्वीकार करती है। प्रो यासुहिरो फुकुनाका (वासेडा विश्वविद्यालय), प्रो हिसायोशी मात्सुशिमा (होक्काइडो विश्वविद्यालय) और डॉ स्लोबोदान मिट्रोविक (लाम रिसर्च) के साथ ज्ञानवर्धक चर्चाओं के लिए भी आभारी हैं ।
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 |