Eksperimentelle metoder til effektiv produktion af solenergi i Mikrogravitations miljø
Summary
Effektiv Solar-hydrogenproduktion er for nylig blevet realiseret på funktionaliserede halvleder-elektro katalysator systemer i en foto elektrokemisk halvcelle i mikrotyngdekraften miljø på Bremen drop Tower. Her rapporterer vi de eksperimentelle procedurer for fremstilling af halvleder-elektro katalysatorenhed, detaljer om den eksperimentelle set-up i drop kapsel og den eksperimentelle sekvens under frit fald.
Abstract
Langsigtede rumflyvninger og CIS-Lunar-forskningsplatforme kræver en bæredygtig og let livsstøtte, som kan anvendes pålideligt uden for jordens atmosfære. Såkaldte “Solar Fuel”-anordninger, der i øjeblikket er udviklet til jordbaserede applikationer i jagten på at realisere en bæredygtig energi økonomi på jorden, giver lovende alternative systemer til eksisterende luft-revitaliserings enheder, der er ansat på det internationale rum Station (ISS) gennem foto elektrokemisk vand-opdeling og brintproduktion. En forhindring for vand (foto-) elektrolyse i reduceret tyngdekraft miljøer er fraværet af flydeevne og den deraf følgende, hæmmet gas boble frigivelse fra elektrodeoverfladen. Dette forårsager dannelsen af gas boble skumme lag i nærheden af elektrodeoverfladen, hvilket fører til en stigning i ohmic modstand og celle-effektivitet tab som følge af reduceret masseoverførsel af substrater og produkter til og fra elektroden. For nylig har vi demonstreret effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften miljø, ved hjælp af en integreret halvleder-elektro katalysator system med p-type indium kobberphosphid som lys-absorber og en rhodium elektro katalysator. Ved at nanostrukturere elektro katalysatoren ved hjælp af Shadow nanosphere litografi og derved skabe katalytiske “hotspots” på foto elektrodens overflade, kunne vi overvinde gasboble-og masse overførsels begrænsningerne og udviste effektiv brint produktion ved høj strømtæthed ved reduceret gravitation. Her er de eksperimentelle detaljer beskrevet for forberedelserne af disse nanostrukturerede enheder og videre, proceduren for deres test i mikrotyngdekraften miljø, realiseret på Bremen drop Tower under 9,3 s af frit fald.
Introduction
Vores atmosfære på jorden dannes gennem iltdannende fotosyntese, en 2.300.000.000-årig proces, der omdanner solenergi til energirige carbonhydrider, frigiver ilt som et biprodukt og bruger vand og co2 som substrater. I øjeblikket, kunstige fotosyntetiske systemer efter konceptet af den energiske Z-ordningen af katalyse og opladning overførsel i naturlige fotosyntese er realiseret i halvleder-elektro katalysator systemer, viser hidtil en sol-til-brint konvertering effektivitet på 19%1,2,3. I disse systemer er halvleder materialer ansat som lysabsorbenter, der er belagt med et tyndt, gennemsigtigt lag af elektro katalysatorer4. Intens forskning på dette område fremmes af den globale søgen efter vedvarende energisystemer med brint og langkædede carbonhydrider, der gør fremragende kandidater til en alternativ brændstofforsyning. Lignende hindringer står også over for langsigtede rummissioner, hvor en genforsyning af ressourcer fra jorden ikke er mulig. Der kræves en pålidelig support hardware, som anvender en effektiv luft revitaliserings enhed, som giver ca. 310 kg ilt pr. besætningsmedlem pr. år, og som ikke tegner sig for ekstravehicular-aktiviteter5. En effektiv sol vand-opdeling anordning, der kan producere ilt og brint eller reducere kuldioxid Solar-assisteret og i en monolitisk system ville give en alternativ, lettere rute til aktuelt anvendte teknologier på ISS: luften revitalisering enhed består af et adskilt system med en alkalisk elektrode, en solid Amin kuldioxid koncentrator og en Sabatier reaktor til reduktion af CO2.
Vi indså for en stor dels vedkommende en effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften, som blev leveret af en 9,3 s under frit fald ved Bremen drop Tower (ZARM, Tyskland)6. Ved hjælp af p-type indium kobberphosphid som en halvledende lys-absorber7,8 belagt med en nanostruktureret rhodium electrocatalyst, vi overvandt substrat og produkt masseoverførsel begrænsninger til og fra photoelektrode overflade, som er en hindring i reduceret tyngdekraft miljøer på grund af fravær af flydeevne9,10. Anvendelsen af Shadow nanosphere litografi11,12 direkte på foto elektrodeoverfladen tillod dannelsen af rhodium katalytiske ‘ hot spots ‘, som forhindrede hydrogengas boble sammensmeltningen og dannelsen af et skumlag i nærheden af elektrodeoverfladen.
Heri leverer vi eksperimentelle detaljer om p-InP-foto elektrode præparatet, herunder overflade ætsning og konditionering, efterfulgt af anvendelse af Shadow nanosphere litografi på elektrodeoverfladen og foto elektroaflejringen af rhodium nanopartikler gennem polystyren kugler. Desuden er den eksperimentelle set-up i drop kapsel i Bremen drop Tower beskrevet, og detaljerne i den eksperimentelle sekvens under 9,3 s af frit fald er forudsat. Prøve afbetaling og håndtering før og efter hver dråbe er skitseret samt forberedelsen af dråbe kapsel og dens udstyr til at betjene belysningskilder, potentiostater, lukker kontroller og videokameraer ved kommando.
Protocol
Representative Results
Discussion
Til fremstilling af foto elektroder, er det vigtigt at minimere ilt eksponering mellem ætsning og konditionering procedure og til at rense 0,5 M HCl før brug for omkring 10-15 min med nitrogen. Når prøverne er konditioneret, kan de opbevares under nitrogenatmosfære i 15 mL koniske rør i et par timer for at tillade prøve transport og/eller forberedelsestid af polystyren partikel masker. For at opnå en homogen arrangement af PS kugler på elektrode substrat, er det vigtigt at danne en kontinuerlig maske af PS kugle…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.B. anerkender midler fra stipendiat programmet for det tyske National Academy of Sciences Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 og den Europæiske Rumorganisation. Desuden vil hun gerne takke Dr. Leopold summerer, det avancerede koncept team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin og Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) og Prof. Harry B. Gray (Caltech) for deres store støtte. M.H.R. er taknemmelig for generøs støtte fra Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. og M.H.R. anerkender støtte fra Beckman Institute of the California Institute of Technology og det molekylære materiale Research Center. Photoechem -teamet anerkender i høj grad finansiering fra det tyske rumfarts Center (Deutsches Zentrum für luft-und Raumfahrt e.V.) til projektet No. 50WM1848. Desuden, M.G. anerkender finansiering fra Guangdong innovative og iværksætter team program med titlen “Plasmonic nanomaterialer og kvante prikker til let forvaltning i optoelektroniske enheder” (no. 2016ZT06C517). Desuden anerkender Forfatterteamet i høj grad indsatsen og støtten fra ZARM-teamet med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode og Dr. Thorben Könemann. Det er også taknemmelig for oplysende diskussioner med Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Universitet) og 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 |
Riferimenti
- 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).
