Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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

1-اعداد الأقطاب الضوئية من الرتبة ف-InP

  1. استخدام واحد الكريستال p-InP (التوجه (111 A) ، الزنك تركيز المنشطات من 5 × 1017 سم-3) كما الضوئية. لاعداد الاتصال الخلفي ، تتبخر 4 نانومتر الاتحاد الافريقي ، 80 nm الزنك و 150 nm الاتحاد الافريقي علي المؤخر من رقاقه وتسخينه إلى 400 درجه مئوية ل 60 s.
  2. تطبيق لصق Ag لإرفاق الاتصال اوميه إلى سلك Cu رقيقه المطلي. خيط السلك إلى أنبوب زجاجي ، تغلف العينة وختمها علي الأنبوب الزجاجي باستخدام الأسود ، الايبوكسي المقاوم للكيماويات.
  3. من أجل أزاله أكاسيد الاصليه ، وحفر 0.5 سم2 المصقول الوجه الانديوم من p-inp ل 30 ثانيه في 10 مل من محلول البروم/الميثانول (0.05 ٪ ث/الخامس) ، شطف السطح مع الايثانول والماء نقاء ل 10 ليالي لكل وتجفيف العينة تحت تدفق النيتروجين. اعداد الحلول من المياه فائقه النقاء والمواد الكيميائية الصف التحليلية مع مستوي الشوائب العضوية أدناه 50 ppb.
    تحذير: البروم يسبب سميه حاده عند الاستنشاق وتاكل الجلد والسمية المائية الحاده. ارتداء المعدات الواقية مثل نظارات السلامة والقفازات ومعطف المختبر. العمل تحت غطاء الدخان. الميثانول هو قابل للاشتعال ، ويسبب سميه حاده (عن طريق الفم والجلد والاستنشاق) ومن المعروف ان يسبب سميه الأعضاء المستهدفة محدده. ارتداء المعدات الواقية مثل نظارات السلامة والقفازات ومعطف المختبر. العمل تحت غطاء الدخان.
  4. في وقت لاحق ، حاله القطب ف-InP الضوئية كيميائيا في ترتيب الجهد ثلاثي الأقطاب القياسية. استخدام خليه زجاجيه بوروسيليكات مع نافذه الكوارتز كخليه الكهروكيميائية من أجل إلقاء الضوء علي العينة مع مصباح الهالوجين التنغستن الخفيفة البيضاء (100 ميغاواط/سم2) اثناء الاجراء.
  5. ضبط كثافة الضوء مع معايره السيليكون مرجع الضوئية.
  6. اعداد محلول 0.5 M HCl وتطهيره في الخلية الضوئية مع النيتروجين من نقاء 5.0 لمده 15 دقيقه.
  7. استخدام التحفيز الدراجات بين-0.44 V und + 0.31 V في معدل المسح الضوئي من 50 mV s-1 لدورات 50 لحاله ضوئيا العينة تحت الاضاءه المستمرة.
    تحذير: حمض الهيدروكلوريك يسبب تلف العين الخطيرة ، وتاكل الجلد وانها تاكل المعادن. وعلاوة علي ذلك ، فانها تمتلك سميه الأعضاء المستهدفة المحددة بعد تعرض واحد. ارتداء المعدات الواقية مثل نظارات السلامة والقفازات ومعطف المختبر. العمل تحت غطاء الدخان.

2. تصنيع النانو الروديوم

  1. استخدم الطباعة الحجرية لطبقه النانو الخلفية (snl)11،12 لتشكيل النانو الروديوم علي القطب الضوئي p-inp. من أجل إنشاء أقنعه البوليسترين علي القطب ف-inp ، والحصول علي الخرز أحاديه التشتت من البوليسترين (PS) الحجم 784 نانومتر بتركيز 5 ٪ (ث/ف) وحلها في المياه نقاء.
  2. للحصول علي الحجم النهائي من 600 μL ، مزيج 300 μL من تشتت حبه البوليسترين مع 300 μL من الايثانول الذي يحتوي علي 1 ٪ (w/v) الستيرين و 0.1 ٪ حمض الكبريتيك (v/v).
  3. تطبيق الحل علي سطح الماء باستخدام ماصه باستور مع طرف منحني. من أجل زيادة مساحة البني الاحاديه ، قم بتحويل طبق بيتري برفق. بعناية توزيع الحل لتغطيه 50 ٪ من واجهه الهواء والماء مع أحادي الطبقة hcp. ترك مكان للاسترخاء الإجهاد وتجنب تشكيل الشقوق في شعريه خلال خطوات الاعداد المقبل.
  4. حماية الأسلاك Cu من الكهربائية الضوئية المكيفة بالصور الكهربائية مع parafilm. وضعها بدقه تحت العائمة مغلقه مغلفه PS قناع المجال عن طريق تسجيل بعناية لهم إلى شريحة المجهر ، ومنع العينات من الدورية. قم بازاله الماء المتبقي برفق بواسطة ماصه التبخر ، مما تسبب في ترسب القناع لاحقا علي سطح القطب.
  5. خذ القطب من طبق بيتري وجفف السطح برفق مع N2. خزن القطب الكهربي تحت النيتروجين حتى الترسب الضوئي الروديوم (علي سبيل المثال ، في المجفف).
    ملاحظه: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا لمده تصل إلى أسبوع واحد.

3. الترسيب الضوئي للجسيمات النانويه الروديوم

  1. 100 0.01 0.5 0.5 المواصفات الكهروكيميائية مثل الخلية الكهروكيميائية والمرجع والقطب المضاد هي نفسها بالنسبة لاجراء التكييف الضوئي.
  2. شطف القطب الضوئي مع الماء الفائق وتجفيفه تحت تدفق لطيف من N2.
  3. من أجل أزاله المجالات PS من سطح القطب ، ووضع الأقطاب الكهربائية لمده 20 دقيقه تحت التحريك لطيف في الكاس مع 10 مل من تولوين (يجب ان تكون مغطاه القطب مع تولوين). في وقت لاحق ، شطف القطب مع الأسيتون و الايثانول ل 20 ثانيه لكل منهما.
  4. أزاله الكربون المتبقية من السطح بواسطة O2-البلازما التنظيف لمده 6 دقائق في عمليه الضغط من 0.16 mbar ، 65 W وتدفقات الغاز من O2 و Ar من 2 sccm و 1 sccm ، علي التوالي.
  5. اعداد عينات تصل إلى أسبوع واحد قبل الاختبارات في برج قطره وتخزينها حتى التجارب تحت N2 الغلاف الجوي في الظلام (علي سبيل المثال ، في كيس القفازات أو المجفف).
    ملاحظه: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا هنا لحوالي 1-2 أسابيع.

4-التجارب الكهروكيميائية الضوئية في الجاذبية الصغريه

  1. النسبة للتجارب في بيئة الجاذبية الصغريه ، اتصل بأحد المرافق الرئيسية لبرج الهبوط ، (مثل مركز تكنولوجيا الفضاء التطبيقية والجاذبية الصغريه ، بريمن ألمانيا).
    ملاحظه: باستخدام نظام المنجنيق ، 9.3 s من بيئة الجاذبية الصغرى يمكن ان تتولد في ZARM مع اقترب الحد الأدنى g-مستوي من حوالي 10-6 م · s-2 13. يستخدم نظام أسطوانات المكبس الهوائي المتحكم فيه هيدروليكيا لإطلاق كبسوله الإسقاط (الشكل 1ا) صعودا من أسفل البرج. يتم إبطاء الكبسولة مره أخرى في الحاوية التي يتم وضعها علي نظام الاسطوانه خلال فتره السقوط الحر.
  2. استخدام خليه الضوئية اثنين من الحجرات (ملء حجم كل خليه: 250 mL) للتجارب الكهروكيميائية من أجل اجراء تجربتين في بيئة الجاذبية الصغريه بالتوازي. وينبغي ان تتالف الجبهة من كل خليه من نافذه زجاجيه الكوارتز البصرية (قطر: 16 مم) للقاء الاضاءه علي القطب العامل (انظر الشكل 1ب).
  3. استخدم ترتيبا ثلاثي الأقطاب في كل خليه للقياسات الكهروكيميائية مع القطب الكهربي المضاد لل Pt والقطب المرجعي Ag/AgCl (3 M KCl) في HClO4 (1 m). أضافه 1 ٪ (v/v) الايزوبروبانول إلى المنحل بالكهرباء من أجل الحد من التوتر السطحي وتعزيز الإفراج عن فقاعه الغاز. استخدم مصدر الضوء الأبيض W-I لأضاءه كل حجره خليه من خلال النوافذ البصرية.
    تحذير: حمض البيروكلوريك المركز هو مؤكسد قوي. الأملاح العضوية والمعدنية وغير العضوية المكونة من الاكسده حساسة للصدمات وتشكل خطرا كبيرا علي الحريق والانفجار. ارتداء نظارات السلامة ، والقفازات ومعطف مختبر واقيه. العمل تحت غطاء الدخان وتقليل وقت التخزين اعلي مقاعد البدلاء.
  4. لتحقيقات فقاعه الغاز ، ونعلق اثنين من الكاميرات إلى كل خليه عن طريق المرايا البصرية والبقع (علي سبيل المثال ، كاميرا ملونه في الجبهة وكاميرا أحاديه اللون في الجانب ، انظر الشكل 1) لتسجيل تطور فقاعه الغاز خلال السقوط الحر للتجربة. لكل قطره ، خزن البيانات المسجلة علي جهاز كمبيوتر مدمج في الكبسولة المنسدلة. سجل صورا واحده بمعدل اطار (مثلا ، 25 اطارا في الثانية (كاميرا ملونه) و 60 اطارا في الثانية (كاميرا أحاديه اللون)).
  5. وقد تم تجهيز كبسوله قطره مع عده لوحات (الشكل 1). قم بتركيب التركيبة الكهروكيميائية الضوئية والكاميرات علي لوحه ضوئيه وأرفقها بأحدي اللوحات الوسطي في الكبسولة. استخدام لوحات المتبقية للدفعة من المعدات الاضافيه مثل التحفيز ، ومصادر الضوء ، والضوابط مصراع والكمبيوتر المجلس. إرفاق إمدادات البطارية في اللوحة السفلي من الكبسولة لتشغيل الاعداد اثناء السقوط الحر (الشكل 1).
  6. كتابه تسلسل تلقائي لإسقاط الخطوات التجريبية التي ينبغي التحكم فيها وتنفيذها في بيئة الجاذبية الصغريه. يجب ان يبدا البرنامج قبل كل قطره. عند الوصول إلى بيئة الجاذبية الصغرى ، ينبغي ان يبدا التسلسل تلقائيا الكاميرات ، ومصادر الاضاءه والتجربة الكهروكيميائية لمده 9.3 s في حين غمر في وقت واحد القطب العامل في المنحل بالكهرباء باستخدام نظام هوائي (انظر الشكل 1، الجدول 1).
  7. التحقيق في إنتاج الهيدروجين بمساعده الضوء علي العينات في القياسات الكهروكيميائية الضوئية (علي سبيل المثال ، المعايرة الدورية وقياس الكثافة الزمنيه).
    1. السيطرة علي المعلمات الكهروكيميائية من قبل اثنين من التحفيز في الكبسولة. للحصول علي أفضل القرارات في القياسات J-V ، استخدم معدلات المسح الضوئي (dE/dt) من 218 mV/s إلى 235 mV/s من أجل تشغيل 3 دورات المسح الضوئي في التجارب الدراجات النارية ، وذلك باستخدام نطاقات الجهد من + 0.25 V-0.3 V vs Ag/agcl (3 M kcl). توظيف الإمكانات الاوليه ، Ei = + 0.2 V Vs ag/Agcl (3 M kcl) والقدرة النهائية ، Ef = + 0.2 V Vs Ag/agcl (3 M kcl). للمقارنة بين قياسات J-V المسجلة ، خذ دوره الفحص الثانية لكل تجربه للتحليل.
    2. في القياسات الزمنيه ، استخدم مقياس الوقت لبيئة الجاذبية الصغريه المتولدة ، 9.3 s ، لتسجيل الضوئية التي تنتجها العينة. تطبيق نطاقات المحتملة من-0.3 V إلى-0.6 V vs Ag/agcl (3 M kcl) لمقارنه إنتاج الضوئية.
  8. في نهاية كل قطره ، عندما يتم إبطاء كبسوله قطره مره أخرى إلى الصفر السرعة ، واستخدام تسلسل قطره للسماح لأزاله العينة من المنحل بالكهرباء والكاميرات ، والتحفيز ومصادر الاضاءه تكون مغلقه.
  9. بعد استرجاع الكبسولة من حاويه التباطؤ ، قم بازاله درع حماية الكبسولة. أزاله العينات من المثبتة بالهواء المضغوط ، شطف لهم مع الماء نقاء وتجفيفها تحت تدفق النيتروجين لطيف. خزنها تحت الغلاف الجوي N2 حتى يتم اجراء التحقيقات البصرية والطيفية.
  10. تبادل المنحل بالكهرباء في الخليتين ، وضمان وظيفة جميع الصكوك قبل تجهيز الخلايا مع عينات جديده واعداد الكبسولة لتجربه قطره أخرى.

النتائج

النقش علي سطح p-inp في Br2/الميثانول لمده 30 ثانيه مع تكييف الضوئية علي التوالي من العينة عن طريق الاستقطاب الدراجات في HCl هو راسخ في الأدب وناقش (علي سبيل المثال ، من قبل شولتي & lewerenz (2001)14،15). اجراء النقش يزيل أكسيد الأصلي المتبقية علي السط?...

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....

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

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

NameCompanyCatalog NumberComments
12.7 mm XZ Dovetail Translation Stage with Baseplate, M4 Taps (4 x)ThorlabsDT12XZ/M
Beam splitters (2 x)ThorlabsCM1-BS01350:50 400-700nm
Beamsplitters (2 x)ThorlabsCM1-BS01450:50 700-1100nm
Ohmic back contact: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm AuOut e.V., Berlin, Germanyhttps://www.out-ev.de/english/index.htmlCompany provides custom made ohmic back contacts
Glass tube, ca. 10 cm, inner diameter about 4 mmE.g., Gaßner GlasstechnikCustom made
p-InP wafers, orientation 111A, Zn doping concentration: 5 x 10^17 cm^-3AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. SwitzerlandCustom made
Photoelectrochemical cell for terrestrial experimentsE.g., glass/ materials workshopCustom made
Matrox 4Sight GPm (board computer)Matrox imagingIvy 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-propanolSigma AldrichI9516-500ML
35mm Kowa LM35HC 1" Sensor F1.4 C-mount (2 x)Basler AG
AcetoneSigma Aldrich650501-1L
Ag/AgCl (3 M KCl) reference electrodeWPIDRIREF-5
Aluminium breadboard, 450 mm x 450 mm x 12.7mm, M6 Taps (2 x)ThorlabsMB4545/M
Beaker, 100 mLVWR10754-948
Black epoxyElectrolubeER2162
BromineSigma Aldrich1.01945 EMD Millipore
Colour camera (2 x)Basler AGacA2040-25gc
Conductive silver epoxyMG Chemicals8331-14G
Copper wireE.g., Sigma Aldrich349224-150CM
EthanolSigma Aldrich459844-500ML
Falcon tubes, 15 mLVWR62406-200
Glove bagsSigma AldrichZ530212
Hydrochloric acid (1 M)Sigma AldrichH9892
Magnetic stirrerVWR97042-626
MethanolSigma Aldrich34860-100ML-R
Microscope slidesVWR82003-414
MilliQ water
NIR camera (2 x)Basler AGacA1300-60gm
Nitrogen, grade 5NAirgasNI UHP300
Ø 1" Stackable Lens Tubes (6 x)ThorlabsSM1L03
O2 Plasma Facility
OEM Flange to SM Thread Adapters (4 x)ThorlabsSM1F2
ParafilmVWR52858-000
Pasteur pipetteVWR14672-380
Perchloric acid (1 M)Sigma Aldrich311421-50ML
Petri dishVWR75845-546
Photoelectrochemical cell for microgravity experimentsE.g., glass/ materials workshop
Polystyrene particles, 784 nm, 5 % (w/v)Microparticles GmbH0.1-0.99 µm size (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml
Potentiostats (2 x)BiologicSP-200/300
Pt counter electrodeALS-Japan12961
Rhodium (III) chloridSigma Aldrich520772-1G
Shutter control system (2 x)
Silicon reference photodiodeThorlabsFDS1010
Sodium chloridSigma Aldrich567440-500GM
Stands and rods to fix the camerasVWR
Sulphuric acid (0.5 M)Sigma Aldrich339741-100ML
Telecentric High Resolution Type WD110 series Type MML1-HR110Basler AG
TolueneSigma Aldrich244511-100ML
Various spare beakers and containers for leftover perchloric acid etc for the drop towerVWR
W-I lamp with light guides (2 x)Edmund OpticsDolan-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 nmBruker

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Raatschen, W. Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS. Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. . The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. , (2001).
  17. Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity. Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field. Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).
  21. 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).
  22. Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions. Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).
  23. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

154

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved