Experimentele methoden voor efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de omgeving van microzwaartekracht
Summary
De efficiënte Solar-waterstofproductie is recentelijk gerealiseerd op Gefunctionaliseerde halfgeleider-electrocatalyst-systemen in een fotoelektrochemische halfcel in de micro zwaartekrachtomgeving bij de Bremen drop Tower. Hier rapporteren we de experimentele procedures voor het vervaardigen van het halfgeleider-electrocatalyst-apparaat, Details van de experimentele opstelling in de druppel capsule en de experimentele sequentie tijdens vrije val.
Abstract
Lange-termijn ruimtevluchten en CIS-Lunar onderzoeksplatforms vereisen een duurzame en lichte levensondersteunende hardware die betrouwbaar kan worden gebruikt buiten de atmosfeer van de aarde. Zogenoemde “Solar Fuel”-apparaten, die momenteel zijn ontwikkeld voor terrestrische toepassingen in de zoektocht naar het realiseren van een duurzame energie-economie op aarde, bieden veelbelovende alternatieve systemen voor bestaande luchtrevitalisatie units die werkzaam zijn op de internationale ruimte Station (ISS) door fotoelektrochemische watersplijtende en waterstofproductie. Een obstakel voor water (foto-) elektrolyse in omgevingen met een verminderde zwaartekracht is de afwezigheid van drijfvermogen en de daaruit voortvloeiende, belemmerende gasbellen van het elektrode oppervlak. Dit zorgt ervoor dat de vorming van gas Bubble schuimlagen in de nabijheid van het elektrode oppervlak, wat leidt tot een toename van a ohms weerstand en celefficiëntie verlies als gevolg van verminderde massaoverdracht van substraten en producten van en naar de elektrode. Onlangs hebben we een efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de microzwaarte kracht omgeving aangetoond, met behulp van een geïntegreerd halfgeleider-elektrokatalytiesysteem met p-type indium fosfide als de licht demper en een Rhodium elektro katalysator. Door de elektro katalysator te nanostructureren met behulp van Shadow permanente lithografie en daardoor katalytische ‘ hotspots ‘ op het fotoelektrode oppervlak te creëren, konden we de gasbellen coalescentie en Mass Transfer-beperkingen overwinnen en efficiënte waterstof laten zien productie bij hoge stroom dichtheden in een gereduceerde zwaartekracht. Hier worden de experimentele details beschreven voor de voorbereidingen van deze nanogestructureerde apparaten en verder, de procedure voor het testen in Microgravity Environment, gerealiseerd bij de Bremen drop Tower gedurende 9,3 s vrije val.
Introduction
Onze atmosfeer op aarde wordt gevormd door oxygenieke fotosynthese, een 2.300.000.000-jaar oud proces dat zonne-energie omzet in energierijke koolwaterstoffen, zuurstof als bijproduct vrijgeeft en water en CO2 als substraten gebruikt. Momenteel worden kunstmatige fotosynthetische systemen volgens het concept van de energieke Z-regeling van katalyse en lading overdracht in natuurlijke fotosynthese gerealiseerd in halfgeleider-elektro katalysatorsystemen, waaruit tot nu toe een conversie-efficiëntie van zonne-energie tot waterstof van 19%1,2,3blijkt. In deze systemen worden halfgeleider materialen gebruikt als licht Brekers die zijn bekleed met een dunne, transparante laag van elektro katalysatoren4. Intensief onderzoek op dit gebied wordt bevorderd door de wereldwijde zoektocht naar hernieuwbare energiesystemen met waterstof-en lange-keten-koolwaterstoffen die uitstekende kandidaten maken voor een alternatieve brandstofvoorziening. Vergelijkbare obstakels worden ook geconfronteerd met ruimtemissies voor de lange termijn, waar een herbevoorrading van grondstoffen van de aarde niet mogelijk is. Een betrouwbare levensondersteunende hardware is vereist, met een efficiënte luchtrevitalisatie-eenheid die ongeveer 310 kg zuurstof per bemanningslid per jaar levert, niet in de administratie voor buitenactiviteiten5. Een efficiënt zonnewater splitsings apparaat, dat zuurstof en waterstof kan produceren of de koolstofdioxide-zonne-energie verlaagt en in een monolithisch systeem zou een alternatieve, lichtere route bieden voor de momenteel toegepaste technologieën op het ISS: de luchtrevitalisatie unit bestaat uit een gescheiden systeem met een alkalische elektrolyt, een Solid amine kooldioxide concentrator en een Sabatierreactor voor de reductie
Ongekend, realiseerden we een efficiënte productie van zonne-energie in Microgravity Environment, voorzien door een 9,3 s tijdens Free-Fall bij de Bremen drop Tower (ZARM, Duitsland)6. Met behulp van p-type indium fosfide als halfgeleidende licht-Absorber7,8 bekleed met een nanogestructureerde Rhodium elektro katalysator, we overkwamen substraat en product massaoverdracht beperkingen van en naar het fotoelektrode oppervlak, wat een obstakel in verminderde zwaartekracht omgevingen als gevolg van de afwezigheid van drijfvermogen9,10. De toepassing van Shadow permanente lithografie11,12 direct op het fotoelektrode oppervlak liet de vorming van rhodium katalytische ‘ hotspots ‘ toe, waardoor waterstofgas Bubble coalescentie en de vorming van een schuim laag in de nabijheid van het elektrode oppervlak werden voorkomen.
Hierin bieden we experimentele Details van de p-INP-fotoelektrode voorbereiding, inclusief oppervlakte etsen en conditionering, gevolgd door de toepassing van Shadow permanente lithografie op het elektrode oppervlak en de fotoelectrodepositie van rhodium nanodeeltjes door de polystyreen bollen. Bovendien wordt de experimentele opstelling in de drop capsule in de Bremen drop Tower beschreven en worden details van de experimentele sequentie tijdens de 9,3 s van vrije val verstrekt. Sample aflevering en handling voor en na elke druppel worden geschetst, evenals de voorbereiding van de drop capsule en de apparatuur om verlichtingsbronnen, potentiostats, sluiter besturingselementen en videocamera’s te bedienen na commando.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voor de bereiding van foto elektroden is het belangrijk om de zuurstof blootstelling tussen de etsen en conditionerings procedure te minimaliseren en de 0,5 M HCl vóór gebruik voor ongeveer 10-15 min met stikstof te zuiveren. Zodra de monsters zijn geconditioneerd, kunnen ze worden opgeslagen onder stikstof atmosfeer in 15 mL conische buizen voor een paar uur om monster vervoer en/of bereidingstijd van de piepschuim deeltjes maskers toestaan. Om een homogene opstelling van PS-bollen op het elektrode substraat te bereik…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. erkent de financiering van het Fellowship-programma van de Duitse Nationale Academie van Wetenschappen Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 en het Europees Ruimtevaartagentschap. Verder wil ze Dr. Leopold Summerer, het Advanced Concepts team, Alan dowson, Dr. Jack van loon, Dr. Gabor Milassin en Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) en Prof. Harry B. Gray (Caltech) bedanken voor hun grote steun. M.H.R. is dankbaar voor gulle steun van Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. en M.H.R. bevestigen de steun van het Beckman Institute van het California Institute of Technology en het Molecular Materials Research Center. Het team van Photoechem erkent sterk de financiering van het Duitse ruimtevaartcentrum (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.) voor het project No. 50WM1848. Bovendien erkent M.G. de financiering van het innovatieve en ondernemende team programma van Guangdong getiteld “Plasmonic nanomaterialen en Quantum dots voor licht management in opto-elektronische apparaten” (nr. 2016ZT06C517). Verder erkent het auteurs team de inspanning en ondersteuning van het team van ZARM met Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, Fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena thode en Dr. Thorben Könemann. Het is ook dankbaar voor verhelderende discussies met Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) en 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).
