ניסיוני שיטות ייצור יעיל מימן סולארית בסביבה מיקרוגרביטציה

Summary

הפקה יעילה סולארית מימן התממשו לאחרונה על פונקציונליזציה מערכות מוליכים למחצה-electrocatalyst בחצי תא האלקטרוכימי בסביבה המיקרוגרוטציה במגדל ברמן Drop. כאן, אנו מדווחים על ההליכים הניסיוניים לייצור מכשיר מוליך למחצה-electrocatalyst, פרטים של הגדרת ניסיוני בקפסולה ירידה ואת הרצף ניסיוני בסתיו חופשי.

Abstract

טיסות חלל ארוכות טווח ופלטפורמות מחקר של cis-ירחי דורשות חומרה בת קיימא ותמיכה בחיים, אשר ניתן לעבוד באופן אמין מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ. מה שנקרא "דלק סולארי" התקנים, שפותחה כיום עבור יישומים ארציים בחיפוש אחר המימוש של כלכלת אנרגיה בת קיימא על פני כדור הארץ, לספק מערכות חלופיות מבטיח יחידות התחדשות האוויר הקיים המועסקים על החלל הבינלאומי תחנת הרכבת (ISS) דרך הפרדת מים וייצור מימן אלקטרוכימי. מכשול אחד עבור מים (צילום-) אלקטרוליזה בסביבות הכבידה מופחתת היא העדר ציפה והוא נזקים תוצאתיים, בועת גז מפריע לשחרר מן המשטח אלקטרודה. זה גורם היווצרות של בועת גז השכבות בסמיכות למשטח האלקטרודה, המובילה לעלייה בהתנגדות ohmic והפסד של יעילות התא בשל העברה המונית מופחתת של מצעים ומוצרים אל ומתוך האלקטרודה. לאחרונה, הדגמנו ייצור יעיל של מימן סולארית בסביבה מיקרוכבידה, באמצעות מערכת מוליך למחצה משולב electrocatalyst עם הודו p סוג האינדינום זרחן כמו בולם באור וזרז רודיום. על ידי ננו בנייה את הזרז electrocatalyst באמצעות ליתופי ננו כדור וצל ובכך ליצור קטליטי ' נקודות חמות ' על פני השטח פוטואלקטרודה, אנחנו יכולים להתגבר על בועות גז מוגבלת ומגבלות העברה המונית הפגינו מימן יעיל ייצור בצפיפויות שוטפות גבוהות בכבידה מופחתת. כאן, הפרטים הניסיוניים מתוארים עבור ההכנות של אלה התקנים ננו מובנים ועוד, ההליך עבור בדיקות שלהם בסביבה מיקרוגרוטציה, הבינו במגדל הירידה ברמן במהלך 9.3 s של נפילה חופשית.

Introduction

האטמוספירה שלנו על פני כדור הארץ נוצרת באמצעות הפוטוסינתזה האוקסיגניים, תהליך בן 2,300,000,000 שנה המרת אנרגיה סולארית לתוך האנרגיה פחמימנים עשיר, שחרור חמצן כמוצר על ידי ושימוש במים ו-CO₂ כמו מצעים. כיום, מערכות פוטוסינטטיות מלאכותיות בעקבות הרעיון של ערכת Z האנרגטית של זרז והעברת מטען בפוטוסינתזה הטבעית ממומשת במערכות מוליכים למחצה-אלקטרוזרז, המציגה עד כה את יעילות ההמרה של השמש למימן של 19%^1,2,3. במערכות אלה, חומרים מוליכים למחצה מועסקים כסופגי אור אשר מצופים בשכבה דקה ושקופה של אלקטרוזרזים מסוג⁴. מחקר אינטנסיבי בתחום זה מקודמת על ידי החיפוש הגלובלי עבור מערכות אנרגיה מתחדשת עם מימן ו-פחמימנים שרשרת של הרבה לעשות מועמדים מצוינים עבור אספקת דלק חלופית. מכשולים דומים מתמודדים גם על משימות מרחב לטווח ארוך, שם אספקה של משאבים מכדור הארץ אינו אפשרי. דרושה חומרה אמינה לתמיכה בחיים, תוך שימוש ביחידת חידוש אוויר יעילה המספקת כ-310 ק ג של חמצן לכל חבר צוות בשנה, לא חשבונאות לפעילויות חוץ-לרכב⁵. מכשיר יעיל במים השמש הפיצול, מסוגל לייצר חמצן ומימן או להפחית פחמן דו חמצני סולארית בסיוע במערכת מונוליטי תספק חלופה, מסלול קל יותר לטכנולוגיות מועסקים כיום ב-ISS: יחידת התחדשות האוויר מורכבת מערכת מופרדים עם אלקטרולייזר אלקליין, מרכז אמין פחמן דו-חמצני מוצק הכור_{sabatier ה}

Unprecedentedly, הבנו יעיל סולרי מימן ייצור בסביבה מיקרו כבידה, שסופקו על ידי 9.3 s במהלך חופשי לרדת במגדל מגדל ברמן (ZARM, גרמניה)⁶. שימוש ב-p-type האינדינום זרחן כוליכים האור בולם^7,8 מצופה עם מובנית מוגבלת של רודיום, התגברו על המצע והמוצר מגבלות העברת המסה אל וממשטח פוטואלקטרודה, אשר מהווה מכשול בסביבות כבידה מופחתת בשל העדר ציפה^9,10. היישום של הדפס ננוספירה של צללים^11,12 ישירות על פני השטח של פוטואלקטרודה אפשרה היווצרות של רודיום קטליטי "נקודות חמות", אשר מנעו בועת גז מימן בועה והיווצרות של שכבה פרוטית בסמיכות של משטח אלקטרודה.

בזאת, אנו מספקים פרטים ניסיוניים של p-InP הכנה פוטואלקטרודה כולל חריטה על פני השטח ומיזוג, ואחריו יישום של הדפס ננו ליתוספירה על משטח האלקטרודה ואת ההצהרה פוטואלקטו של רודיום ננו-חלקיקים דרך כדורי הפוליסטירן. יתרה מזאת, ההגדרה הניסיונית בקפסולת השחרור במגדל השחרור של ברמן מתוארת ומפרטת את הרצף הנסיוני במהלך 9.3 הנפילות החופשיות. התשלום לדוגמה וטיפול לפני ואחרי כל טיפה מתוארים כמו גם הכנת קפסולת השחרור והציוד שלה כדי להפעיל מקורות תאורה, פוטנציאל, בקרות תריס ומצלמות וידאו על הפקודה.

Protocol

1. הכנת פוטואלקטרודות p-InP

1. השתמש בגביש בודד p-InP (כיוון (111 A), Zn הריכוז של 5^{× 10 ס"מ -3}) כמו photober. לגבי הכנה לקשר האחורי, להתנדף 4 ננומטר או, 80 nm Zn ו 150 ננומטר או על הישבן של וופל ולחמם אותו 400 ° צ' עבור 60 s.
2. החל הדבק Ag לצרף את הקשר ohmic לחוט דק מצופה Cu. הפתיל חוט לצינור זכוכית, כתוב את המדגם לאטום אותו צינור זכוכית באמצעות אפוקסי שחור, עמיד כימי.
3. על מנת להסיר תחמוצות יליד, לחרוט את 0.5 ס מ² פנים אינדיום מלוטש של p-inp עבור 30 s ב 10 מ ל של ברום/מתנול פתרון (0.05% w/v), לשטוף את פני השטח עם אתנול ו באולטרסאונד מים עבור 10 s כל אחד יבש את המדגם תחת שטף חנקן. הכינו את הפתרונות ממים באולטרטהורים וכימיקלים אנליטיים עם רמת טומאה אורגנית מתחת 50 ppb.
   התראה: ברום גורם לרעילות חריפה בעת שאיפת העור, קורוזיה ורעילות מימיים חריפה. לובשים ציוד הגנה כגון: כוסות בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע מתנול הוא דליק, גורם רעילות חריפה (דרך הפה, העורי והאינהלציה) והוא ידוע לגרום מסוים רעילות איברים היעד. לובשים ציוד הגנה כגון: משקפי בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע
4. לאחר מכן, מצב האלקטרודות p-InP כימית בסדר סטנדרטי של שלוש האלקטרודה. השתמש תא זכוכית בורוסיליקט עם חלון קוורץ כמו תא פוטוכימי כדי להאיר את המדגם עם אור לבן הלוגן טונגסטן מנורה (100 mW/cm²) במהלך ההליך.
5. התאימו את עוצמת האור בעזרת פוטודיודה מכוילת סיליקון.
6. להכין פתרון הHCl 0.5 M ולטהר אותו בתא פוטוכימי עם חנקן של 5.0 טוהר עבור 15 דקות.
7. השימוש באופניים הפוטנציאל בין-0.44 V und + 0.31 V בקצב סריקה של 50 mV s^-1 עבור 50 מחזורים למצב פוטואלקטרוכימית המדגם תחת תאורה רציפה.
   התראה: חומצה הידרוכלורית גורמת לנזק בעיניים חמורות, העור קורוזיה וזה מזיק מתכות. יתרה מזאת, היא מחזיקה רעילות מטרה ספציפית לאיברים לאחר חשיפה אחת. לובשים ציוד הגנה כגון: משקפי בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה. . תעבוד מתחת למכסה המנוע

2. ייצור מבנים ננו-ברודיום

1. מעסיקים ליתוגרפיה ננו-ספירה (snl)^11,12 עבור היווצרות של מבנים ננו ברודיום על photoelectrode p-inp. כדי ליצור את מסיכות פוליסטירן על אלקטרודה p-InP, להשיג מונו מפוזרים חרוזים של פוליסטירן (PS) בגודל 784 ננומטר בריכוז של 5% (w/v) ולפזר אותם במים באולטרטהורים.
2. כדי להשיג את הנפח הסופי של 600 μL, לערבב 300 μL של נפיצה חרוז בקלקר עם 300 μL של אתנול המכיל 1% (w/v) יריעות ו 0.1% חומצה גופרתית (v/v).
3. החילו את התמיסה על משטח המים בעזרת מפית פסטר עם קצה מעוקל. כדי להגדיל את האזור של המבנים המונרישיים, הפוך את צלחת פטרי בעדינות. הפיצו בקפידה את הפתרון לכיסוי 50% מממשק מי האוויר באמצעות מונאולייר. השאירו מקום להרפיה והימנעו מיצירת סדקים בסריג במהלך צעדי ההכנה הבאים.
4. להגן על חוט התיל של אלקטרודות p-InP ממוזג כימית עם parafilm. הניחו אותם בעדינות תחת מסיכת הספירה הדחוסה הארוזה של PS כדור על ידי הקלטה בזהירות לשקופית מיקרוסקופ, מניעת הדגימות מסתובבת. הסירו בעדינות את שרידי המים בעזרת פיפטה והתאיידות, וגרמו למסכה להיות מופקד לאחר מכן על משטח האלקטרודה.
5. להוציא את האלקטרודה מתוך צלחת פטרי ויבש בעדינות את המשטח עם N₂. אחסן את האלקטרודה מתחת לחנקן עד לתצהיר ברודיום (למשל, בdesiccator).
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן עד שבוע אחד.

3. פוטואלקטונדפוזיציה של ברודיום חלקיקים

1. עבור הפקדה פוטואלקטרוכימי של חלקיקי רודיום דרך מסיכת ה-PS sphere, מניחים את האלקטרודה בתמיסה אלקטרוליט המכילה 5 מ"מ RhCl₃, 0.5 M הנאל ו 0.5% (v/v) 2-propanol ולהחיל פוטנציאל קבוע של v_dep = + 0.01 v עבור 5 בתוך תאורה בו עם מנורה W-I (100 mW/ מפרט אלקטרוכימי כגון תא אלקטרוכימי, הפניה ואלקטרודה נגדית זהים לנוהל המיזוג הפוטוכימי.
2. לשטוף את הפוטואלקטרודה עם מים באולטרטהורים ולייבש אותו תחת זרימה עדינה של N₂.
3. כדי להסיר את ה-PS-ספירות ממשטח האלקטרודה, הניחו את האלקטרודות ל -20 דקות תחת ערבוב עדין בגביע עם 10 מ ל של טולואן (האלקטרודה צריכה להיות מכוסה בטולין). לאחר מכן, לשטוף את האלקטרודה עם אצטון ואתנול עבור 20 s כל אחד.
4. הסרת פחמן שיורית מהמשטח על ידי O₂-פלזמה ניקוי עבור 6 דקות בלחץ על התהליך של 0.16 mbar, 65 W ו גז תזרים של O₂ ו Ar של 2 sccm ו 1 sccm, בהתאמה.
5. הכינו את הדגימות עד שבוע לפני בדיקות במגדל הצניחה ולאחסן אותם עד הניסויים תחת N₂ אווירה בחושך (למשל, בשקית כפפה או desiccator).
   הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן כ-1-2 שבועות.

4. ניסויים פוטואלקטרוכימי במיקרוגרביטציה

1. לניסויים בסביבת מיקרו-כבידה, צרו קשר עם אחד ממתקני מגדל הצניחה העיקריים (לדוגמה, מרכז טכנולוגיית החלל המוחלת ומיקרוגרביטציה (ZARM), ברמן גרמניה).
   הערה: על-ידי שימוש במערכת מעוט, 9.3 s של סביבת מיקרו-כבידה ניתן ליצור ב ZARM עם מינימום התקרב g-רמה של כ 10^-6 m · s^{-2 13}. מערכת ידראולית בוכנה מבוקרת פניאומטית משמשת להפעלת כמוסת השחרור (איור 1א) מעל לתחתית המגדל. הקפסולה היא להאט שוב במיכל אשר ממוקם על מערכת גליל בזמן נפילה חופשית.
2. השתמש בשני תאים פוטואלקטרוכימי (מילוי הנפח של כל תא: 250 mL) עבור הניסויים בפוטואלקטרוכימי כדי לבצע שני ניסויים בסביבת מיקרו-כבידה במקביל. החלק הקדמי של כל תא צריך להיות מורכב חלון קוורץ אופטי זכוכית (קוטר: 16 מ"מ) להאיר את האלקטרודה עובד (ראה איור 1ב).
3. להעסיק הסדר שלוש אלקטרודה בכל תא עבור מדידות פוטואלקטרוכימי עם אלקטרודה מונה Pt ו Ag/AgCl (3 M KCl) התייחסות אלקטרודה בתוך השולחן₄ (1 m). הוסף 1% (v/v) איזופנול לאלקטרוליט על מנת להפחית את המתח פני השטח ולשפר את שחרור בועת הגז. השתמש מקור אור לבן W-I להאיר כל תא תא דרך החלונות האופטיים.
   התראה: חומצה perchloric מרוכזת הוא אוקסידיזר חזק. מלחים אורגניים, מתכתיים ושאינם אורגניים הנוצרים מפני חמצון רגישים להלם ומהווים סכנת התפוצצות גדולה ומדליקה. תלבש משקפי בטיחות, כפפות. וחלוק מעבדה מגן לעבוד מתחת למכסה המנוע ולמזער את זמן אחסון הספסל העליון.
4. עבור חקירות בועות גז, לצרף שתי מצלמות לכל תא באמצעות מראות אופטיים ומפצלים (למשל, מצלמת צבע בחזית ומצלמה מונוכרומטי בצד, ראה איור 1) כדי להקליט את האבולוציה של בועת הגז במהלך נפילה חופשית של הניסוי. עבור כל שחרור, אחסן את הנתונים המוקלטת במחשב לוח מוכלל בקפסולת השחרור. הקלטת תמונות בודדות בקצב מסגרות של (למשל, 25 fps (מצלמה צבעונית) ו-60 fps (מצלמה מונוכרומטי)).
5. כמוסת השחרור מצוידת במספר לוחות (איור 1). הר הגדרת פוטואלקטרוכימי ואת המצלמות על לוח אופטי ולצרף אותו לאחד הלוחות האמצעיים בקפסולה. השתמש בלוחות הנותרים עבור התשלום של ציוד נוסף כגון פוטנציאל, מקורות אור, בקרות תריס ומחשב הלוח. צרף אספקת סוללה בלוח התחתון של הקפסולה כדי להפעיל את ההגדרה במהלך נפילה חופשית (איור 1).
6. כתוב רצף שחרור אוטומטי עבור הצעדים ניסיוני אשר צריך להיות נשלט ומבוצע בסביבה מיקרו כבידה. יש להתחיל את התוכנית לפני כל טיפה. לאחר שהגיע לסביבה המיקרוגרוטציה, הרצף צריך להתחיל באופן אוטומטי מצלמות, מקורות תאורה וניסוי אלקטרוכימי במשך ה9.3 המאוחרות, תוך שהוא מאחד בו את האלקטרודה העובדת לאלקטרוליט באמצעות מערכת פניאומטית (ראה איור 1, טבלה 1).
7. חקירת ייצור מימן בסיוע קל על דגימות במדידות פוטואלקטרוקליות (למשל, מחזורי וולטממטריה וchronoamperometry).
   1. לשלוט על הפרמטרים אלקטרוכימי על ידי שני הפוטנציאל בתוך הקפסולה. לרזולוציות אופטימליות ב-J-V מדידות, להשתמש בשערי הסריקה (דה/dt) של 218 mV/s כדי 235 mV/s כדי להפעיל 3 מחזורי סריקה בניסויים הוולטממטריה רכיבה על אופניים, באמצעות טווחי מתח של + 0.25 V ל-0.3 V vs Ag/agcl (3 M kcl). להעסיק את הפוטנציאל הראשוני, E_i = + 0.2 V Vs Ag/Agcl (3 m kcl) ואת הפוטנציאל הסופי, E_f = + 0.2 V Vs Ag/agcl (3 M kcl). כדי להשוות בין מדידות ה-J-V המוקלטות, קחו את מחזור הסריקה השני של כל ניסוי לניתוח.
   2. במדידות chronoamperometric, השתמש בסרגל הזמן של הסביבה המיקרוגרוטציה, 9.3 s, כדי להקליט את photocurrent המיוצר על ידי המדגם. החל טווחים פוטנציאליים של-0.3 V ל-0.6 V vs Ag/agcl (3 M kcl) כדי להשוות את זרמי הפוטו המיוצרים.
8. בסוף כל טיפה, כאשר קפסולת השחרור מאטה שוב למהירות אפס, השתמש ברצף השחרור כדי לאפשר להסיר את הדגימה מהאלקטרוליט והמצלמות, הפוטנציאל ומקורות התאורה כבויים.
9. לאחר אחזור הקפסולה ממיכל ההאטה, הסר את מגן הגנת הקפסולה. להסיר את הדגימות מתוך הזרם הפניאומטי, לשטוף אותם עם מים באולטרטהורים ולייבש אותם תחת השטף חנקן עדין. לאחסן אותם באווירה N₂ עד החקירות האופטיות והספקטרוסקופיות מתבצעות.
10. להחליף את האלקטרוליט בשני התאים, להבטיח את התפקוד של כל המכשירים לפני לצייד את התאים עם דגימות חדשות ולהכין את הקפסולה לניסוי טיפה אחר.

תוצאות

חריטה על פני השטח p-inp ב Br₂/מתנול עבור 30 s עם מיזוג פוטואלקטרוכימי ברציפות של המדגם על ידי מרכיבה על אופניים פולריזציה ב-HCl מבוססת היטב בספרות ודנו (למשל, על ידי שולטה & לוורז (2001)^14,15). הליך התחריט מסיר את התחמוצת המקורית שנותרה על פני השטח (...

Discussion

להכנת פוטואלקטרודות, חשוב למזער את החשיפה לחמצן בין הליך החריטה והמיזוג כדי לטהר את הHCl 0.5 M לפני השימוש כ 10-15 דקות עם חנקן. ברגע שהדגימות ממוזגות, הן יכולות להיות מאוחסנות תחת אווירת חנקן בצינורות בעלי 15 מ ל במשך מספר שעות כדי לאפשר הובלה לדוגמה ו/או זמן הכנה של מסיכות הקלקר. כדי להשיג הסדר הו...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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