الأساليب التجريبية لإنتاج الهيدروجين الفعال بالطاقة الشمسية في بيئة الجاذبية الصغريه
Summary
وقد تحقق في الاونه الاخيره إنتاج الطاقة الشمسية والهيدروجينية بكفاءة في النظم الميكانيكية لأشباه الموصلات-الكهربائية في نصف الخلية الكهروكيميائية في بيئة الجاذبية الصغريه في برج إسقاط بريمن. هنا ، نقوم بالإبلاغ عن الإجراءات التجريبية لتصنيع جهاز أشباه الموصلات الكهربي ، تفاصيل الاعداد التجريبي في كبسوله الإسقاط والتسلسل التجريبي اثناء السقوط الحر.
Abstract
وتتطلب الرحلات الفضائية الطويلة الأجل ومنصات البحوث الخاصة برابطه الدول المستقلة جهازا مستداما وخفيفا لدعم الحياة يمكن استخدامه بشكل موثوق خارج الغلاف الجوي للأرض. ما يسمي أجهزه “الوقود الشمسي” ، التي وضعت حاليا للتطبيقات الارضيه في السعي لتحقيق اقتصاد الطاقة المستدامة علي الأرض ، وتوفير نظم بديله واعده لوحدات تنشيط الهواء القائمة المستخدمة في الفضاء الدولي محطه (ISS) من خلال الضوئية الكهروكيميائية تقسيم المياه وإنتاج الهيدروجين. عقبه واحده للمياه (الصورة-) التحليل الكهربائي في بيئات الجاذبية المنخفضة هو غياب الطفو وما يترتب علي ذلك ، أعاق إطلاق فقاعه الغاز من سطح القطب. وهذا يؤدي إلى تشكيل طبقات فقاعه زبد الغاز في القرب من سطح القطب ، مما يؤدي إلى زيادة في المقاومة اوميه وفقدان كفاءه الخلية بسبب انخفاض النقل الجماعي للركائز والمنتجات من والي القطب. وفي الاونه الاخيره ، أثبتنا إنتاج الهيدروجين الفعال بالطاقة الشمسية في بيئة الجاذبية الصغريه ، وذلك باستخدام نظام متكامل لأشباه الموصلات الكهربائية مع فوسفيد من النوع p باعتباره ممتصا للضوء ومحفزا كهربيا من الروديوم. عن طريق النانو الكهربائية باستخدام التصوير الحجري الظل نانو الغلاف التالي خلق “البقع الساخنة” الحفاز علي سطح القطب الضوئي ، ونحن يمكن التغلب علي الغاز فقاعه التحام والقيود نقل الجماعي وأظهرت كفاءه الهيدروجين الإنتاج في كثافة الحالية عاليه في انخفاض الجاذبية. هنا ، يتم وصف التفاصيل التجريبية للتحضير لهذه الاجهزه النانويه وابعد من ذلك ، والاجراء لاختبارها في بيئة الجاذبية الصغرى ، التي تحققت في برج إسقاط بريمن خلال 9.3 s من السقوط الحر.
Introduction
يتم تشكيل الغلاف الجوي لدينا علي الأرض من خلال التمثيل الضوئي الأوكسجين ، وهي عمليه منذ 2,300,000,000 عاما تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروكربونات الغنية بالطاقة ، والإفراج عن الأكسجين كمنتج ثانوي واستخدام المياه و CO2 كركائز. حاليا ، يتم تحقيق أنظمه الضوئية الاصطناعية بعد مفهوم الحيوية Z-مخطط الحفز ونقل الشحنة في التمثيل الضوئي الطبيعي في أنظمه أشباه الموصلات-الكتروحفاز ، والتي تبين حتى الآن كفاءه تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين من 19 ٪1،2،3. وفي هذه النظم ، تستخدم مواد أشباه الموصلات كممتصات خفيفه مغلفه بطبقه رقيقه وشفافة من العوامل الحفازه الكهربائية4. ويتعزز البحث المكثف في هذا المجال من خلال السعي العالمي لنظم الطاقة المتجددة مع الهيدروجين والهيدروكربونات طويلة السلسلة مما يجعل المرشحين ممتازة لإمدادات الوقود البديلة. وتواجه أيضا عقبات مماثله في البعثات الفضائية الطويلة الأجل ، حيث لا يمكن أعاده تموين الموارد من الأرض. وهناك حاجه إلى معدات يعول عليها لدعم الحياة ، باستخدام وحده فعاله لتنشيط الهواء توفر حوالي 310 كيلوغرام من الأكسجين لكل فرد من افراد الطاقم سنويا ، وليس لحساب الانشطه النشاط خارجه5.
مسبوق, حققنا كفاءه إنتاج الطاقة الشمسية والهيدروجين في بيئة الجاذبية الصغرى, المقدمة من 9.3 s خلال السقوط الحر في برج إسقاط بريمن (ZARM, ألمانيا)6. باستخدام p-نوع اندييوم فوسفيد كامتصاص الضوء موصل7,8 المغلفة مع الكهربائية الروديوم بالنانو الهيكلية, تغلبنا علي الركيزة والمنتج القيود نقل الشامل من والي السطح الضوئي, وهو عقبه في بيئات الجاذبية المنخفضة نظرا لغياب الطفو9,10. وقد سمح تطبيق التصوير الحجري للغلاف الأرضي بالظلال11و12 مباشره علي سطح القطب الضوئي بتشكيل “البقع الساخنة” المحفزة للالروديوم ، والتي حالت دون التحام فقاعه غاز الهيدروجين وتشكيل طبقه الزبد بالقرب من سطح القطب.
هنا ، ونحن نقدم تفاصيل التجريبية من الاعداد الضوئية ف-InP بما في ذلك النقش علي السطح وتكييف ، تليها تطبيق الطباعة الحجرية الظل النانو علي سطح القطب الكهربائي والضوئية من الروديوم جسيمات نانويه من خلال مجالات البوليسترين. وعلاوة علي ذلك ، يتم وصف الاعداد التجريبي في كبسوله قطره في برج إسقاط بريمن ويتم توفير تفاصيل تسلسل التجريبية خلال 9.3 s من السقوط الحر. يتم تحديد القسط العينة والمناولة قبل وبعد كل قطره ، فضلا عن اعداد كبسوله قطره ومعداتها لتشغيل مصادر الاضاءه ، والتحفيز ، والضوابط مصراع وكاميرات الفيديو علي الأمر.
Protocol
Representative Results
Discussion
لاعداد الضوئية ، من المهم تقليل التعرض للأكسجين بين النقش وتكييف الاجراء وتطهير 0.5 M HCl قبل الاستخدام لحوالي 10-15 دقيقه مع النيتروجين. وبمجرد ان تكون العينات مشروطه ، يمكن تخزينها تحت جو النيتروجين في 15 مل أنابيب مخروطيه لبضع ساعات للسماح النقل عينه و/أو وقت اعداد أقنعه الجسيمات البوليسترين….
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. تعترف بالتمويل من برنامج الزمالات للاكاديميه الوطنية المانيه للعلوم Leopoldina ، ومنحه LPDS 2016-06 ووكالة الفضاء الاوروبيه. وفضلا عن ذلك ، تود ان تشكر الدكتور ليوبولد سمرر ، فريق المفاهيم المتقدمة ، والآن داوسون ، والدكتور جاك فان لون ، والدكتور غابور ميلاسين ، والدكتور روبرت ليندنر (ESTEC) ، وروبرت-يان نوررام (Notese) ، والبروفيسور هاري ب. غراي (Caltech) علي دعمهم الكبير. M.H.R. ممتنة للدعم السخي من البروفيسور ناثان س. لويس (كالتيك). K.B. و M.H.R. الدعم من معهد بيكمان لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومركز أبحاث المواد الجزيئية. ويعترف فريق Photoechem بشكل كبير بالتمويل المقدم من المركز ألماني للفضاء الجوي (e.V.) للمشروع رقم 50WM1848. وعلاوة علي ذلك ، تعترف M.G. بالتمويل من برنامج فريق قوانغدونغ المبتكر والريادي بعنوان “المواد النانويه البلازمية والنقاط الكمية لأداره الضوء في الاجهزه الكتروضوئيه” (رقم 2016ZT06C517). وعلاوة علي ذلك ، فان فريق المؤلف يعترف كثيرا بالجهد والدعم المقدمين من فريق ZARM مع ديتر بيشاوف ، وتورستن لوتس ، وماتياس ماير ، وفريد اوتكين ، ويان سيمرز ، والدكتور مارتن كاستيلو ، وماغدالينا ثيود ، والدكتور ثوربن كونيمان. وهي ممتنة أيضا للمناقشات المستنيرة مع البروفيسور ياسوهيرو فوكوناكا (جامعه واسيدا) ، والبروفيسور هيسايوشي ماتسوشيما (جامعه هوكايدو) ، والدكتور سلوبودان ميتروفيتش (لام للبحوث).
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 |
Referencias
- 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).
